張光輝

（廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣東廣州，510425）

0 引言

無人機(jī)作為飛機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行的簡要稱呼，借助控制器完成飛機(jī)的飛行過程，相比傳統(tǒng)駕駛飛機(jī)，無人機(jī)控制技術(shù)是保障其使用質(zhì)量的關(guān)鍵因素。無人機(jī)在有序控制作用下，具有較為優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能、較強(qiáng)的隱蔽能力、攻擊性較低等特點(diǎn)，適用于敵對(duì)關(guān)系實(shí)施偵察活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)戰(zhàn)技術(shù)指導(dǎo)，完成空中情報(bào)信息的完整性收益，能夠?yàn)橄嚓P(guān)行業(yè)提供有價(jià)值的信息。

1 小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)

■1.1 四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)

四旋翼無人機(jī)的整體構(gòu)成包括三個(gè)元素：第一個(gè)元素是地面控制站，用于完成信號(hào)的計(jì)算與控制；第二個(gè)元素是控制系統(tǒng)，用于完成通信程序；第三個(gè)元素是導(dǎo)航系統(tǒng)，為無人機(jī)飛行提供支持。

圖1 無人機(jī)控制站

（1）圖1屬于無人機(jī)地面控制站，此程序用于實(shí)時(shí)勘測無人機(jī)的所在位置，在獲取無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)信息，加以有效處理，在控制器完成無人機(jī)控制信號(hào)的接收時(shí)，同時(shí)將控制信號(hào)予以發(fā)送。

（2）四旋翼無人機(jī)如圖2所示，屬于控制與導(dǎo)航系統(tǒng)，將此兩個(gè)系統(tǒng)安裝在無人機(jī)結(jié)構(gòu)中?？刂婆c導(dǎo)航兩個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用功能在于完成無人機(jī)飛行情況數(shù)據(jù)的測量，借助多種傳感器，比如陀螺儀。在傳感器收集到無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)完成分析，針對(duì)四旋翼無人機(jī)的各項(xiàng)信息，將信息反饋至地面控制站，由此控制站完成信號(hào)解算。無人機(jī)信息包括所在位置、飛行速度、飛行傾斜度等信息。通訊系統(tǒng)與地面控制站保持連接狀態(tài)，通訊系統(tǒng)運(yùn)行程序?yàn)闄C(jī)載控制，將地面控制站獲取的控制信號(hào)，經(jīng)算法解析整合成為電機(jī)控制信號(hào)，再將整合完成的電機(jī)控制信號(hào)傳送至電機(jī)系統(tǒng)，以此完整控制無人機(jī)，控制項(xiàng)目包括：旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)方向與角度、旋轉(zhuǎn)速度。

圖2 四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)圖

四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為電機(jī)旋翼、小型電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用意圖在于：為無人機(jī)提供動(dòng)力，具有較強(qiáng)的能源獲取能力，相比其他動(dòng)力供給設(shè)備更為穩(wěn)定與輕便。旋翼與電動(dòng)機(jī)均設(shè)計(jì)為4個(gè)，偶數(shù)設(shè)計(jì)便于提升無人機(jī)對(duì)角調(diào)整效果，使其相對(duì)位置與轉(zhuǎn)速處于平穩(wěn)狀態(tài)。在構(gòu)造方式中，四組旋翼具有較為均等的旋轉(zhuǎn)速度，產(chǎn)生的電動(dòng)扭矩具有相容性，科學(xué)抵消影響無人機(jī)平衡的力矩。

一般情況下，直升機(jī)對(duì)非平衡力矩同樣具有消除需求，其消除機(jī)制是尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)，旋翼結(jié)構(gòu)便于在小型無人機(jī)結(jié)構(gòu)中完成非平衡力矩的消除程序，提升小型無人機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。在無人機(jī)飛行期間，其控制器在四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速作用下完成多元化姿態(tài)飛行。采取垂直起降方式提升無人機(jī)起降程序的穩(wěn)定性，在無人機(jī)四個(gè)方面運(yùn)動(dòng)期間，能夠完成基本的巡航過程，可實(shí)行前后、左右兩種翻轉(zhuǎn)形式，以此順應(yīng)高難度視角的航拍需求，獲取更為清晰的勘測數(shù)據(jù)[1]。

■1.2 四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）機(jī)動(dòng)性能優(yōu)異，飛行適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠在各種環(huán)境下完成任務(wù)。相比固定翼，四旋翼無人機(jī)無需設(shè)置起降跑道，垂直起降即可完成飛行與停運(yùn)，以此提升四旋翼無人機(jī)的飛行靈活性，減少其飛行對(duì)空間產(chǎn)生的嚴(yán)格要求。無人機(jī)具備空中懸停功能，以此保障圖像效果的清晰與穩(wěn)定，發(fā)揮小型無人機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢。

（2）機(jī)械構(gòu)造精密性強(qiáng)，控制操作易于掌握。相比直升機(jī)結(jié)構(gòu)，小型無人機(jī)的機(jī)械化結(jié)構(gòu)具有較高的緊湊感、較強(qiáng)的緊密性。與此同時(shí)，螺旋槳數(shù)量為四個(gè)，其共同產(chǎn)生的推力，能夠?yàn)闊o人機(jī)提供更多控制維度，相比單一螺旋槳所具有的推力，能夠在簡單操作程序中獲得無人機(jī)多重姿態(tài)。

（3）飛行噪聲小，易于隱藏。無人機(jī)的四個(gè)螺旋槳能夠?qū)⑹芰τ枰苑稚ⅲ總€(gè)電機(jī)運(yùn)行功率具有可控性，由此形成較小噪聲。小型電機(jī)有助于科學(xué)躲避熱力雷達(dá)的探測，以此提升四旋翼無人機(jī)的勘測隱蔽性能，由此在軍事領(lǐng)域中能夠有效獲取敵方戰(zhàn)地信息，以便于制定有效應(yīng)對(duì)之策。

2 小型無人機(jī)控制過程

■2.1 控制原理

無人機(jī)屬于自動(dòng)化飛行的設(shè)備，無需人員駕駛，其控制機(jī)制較為簡單，框架分析程序在自動(dòng)控制原理下予以完成。現(xiàn)階段自控技術(shù)的形成取決于反饋理念，以此提升控制技術(shù)的穩(wěn)定性，保障無人機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。反饋理論組成元素有三個(gè)：測量數(shù)據(jù)、對(duì)比數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令。測量程序中能夠獲取受控變量的具體數(shù)據(jù)，將其與目標(biāo)值相對(duì)比，控制器可借助偏差情況實(shí)時(shí)控制被控對(duì)象，以此提升系統(tǒng)響應(yīng)的精準(zhǔn)性，減少系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)生偏差，以此控制與優(yōu)化被控主體。

在地面控制站的運(yùn)行過程中，將待執(zhí)行任務(wù)指令，經(jīng)由地面控制站、控制系統(tǒng)，指令傳輸至無人機(jī)系統(tǒng)中，無人機(jī)執(zhí)行指令期間，其所在位置、飛行速度、飛行狀態(tài)等信息將會(huì)由感知系統(tǒng)獲取，繼而傳輸至地面控制站。如圖3所示為無人機(jī)控制原理圖，地面控制站的運(yùn)行原理等同于無人機(jī)控制系統(tǒng)中的控制器。無人機(jī)控制系統(tǒng)中的的伺服作動(dòng)器類比于無人機(jī)電機(jī)系統(tǒng)，圖中的被控對(duì)象實(shí)體為無人機(jī)旋翼，圖中檢測裝置實(shí)體是傳感器[2]。

圖3 無人機(jī)控制原理圖

■2.2 PID控制器

控制四旋翼無人機(jī)的設(shè)備有多種選擇，研發(fā)人員針對(duì)控制器的復(fù)雜性，嘗試將其添加至無人機(jī)控制系統(tǒng)中。然而，控制器組成繁雜性提升時(shí)，相應(yīng)增強(qiáng)依賴模型建設(shè)的真實(shí)性，控制效果相比PID控制器并不理想。因此，現(xiàn)階段大多數(shù)無人機(jī)控制系統(tǒng)中，使用PID控制器，將其設(shè)定為核心控制算法。

PID控制器的字母表示為：P表示“比例”的英文縮寫，I表示“積分”的英文縮寫，D表示“微分”的英文縮寫。此控制器擁有較為簡單的結(jié)構(gòu)組成，獲得了廣泛應(yīng)用。在PID控制器組成中，P表示的是比例控制，I表示的是消除靜差的積分控制，D表示的是微分控制，能夠提升無人機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果。由于PID控制器具有簡易的操作程序，其具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在無人機(jī)操作領(lǐng)域獲取了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

■2.3 多址通信控制

在多組無人機(jī)飛行期間極易形成通信干擾問題，由此提出了多址通知控制技術(shù)，此技術(shù)的核心理念在于：針對(duì)群組中無人機(jī)的實(shí)際飛行特點(diǎn)，將無人機(jī)飛行劃分為多個(gè)地址，采取相同頻段信道傳輸形式，完成信號(hào)有效接收，加強(qiáng)信號(hào)分離，再進(jìn)行信號(hào)提純與擴(kuò)展，有效識(shí)別信號(hào)信息，減少無人機(jī)在群飛期間產(chǎn)生通信干擾。例如在開展探測活動(dòng)時(shí)，共計(jì)派出四架無人機(jī)完成共同飛行，在飛行期間按，每秒時(shí)段完成感應(yīng)獲取信息，將各種傳輸?shù)刂贩謩e添加至2個(gè)信道中，在1號(hào)信道中，比特率設(shè)置為16kbps，2號(hào)信號(hào)完成的比特率設(shè)置比1號(hào)高于1kbps。

此種通信控制方法，能夠有效完成四架無人機(jī)信號(hào)獲取，四架無人機(jī)信號(hào)頻率分別為1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。在獲取完成無人機(jī)信號(hào)頻率的基礎(chǔ)上，借助信號(hào)處理器予以加工，分離器能夠完成信號(hào)分離，放大器能夠完成信號(hào)提純。在加工處理完成時(shí)，再行開展信息核對(duì)，嘗試獲取最佳通信結(jié)果[3]。

3 控制模擬分析

■3.1 模擬設(shè)計(jì)

研發(fā)人員以通信控制為基礎(chǔ)，開展模擬控制，以此驗(yàn)證通信控制的可行性。選擇四架無人機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，讓其進(jìn)行航拍任務(wù)，通信傳輸設(shè)計(jì)為10秒。在傳感器的技術(shù)作用下，獲取了四架無人機(jī)的通信頻率，分別為1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。設(shè)定兩個(gè)通信傳輸信道，比特率設(shè)計(jì)為16kbps、17kbps。在模擬實(shí)驗(yàn)期間，采取無人機(jī)的人為控制操作，操作項(xiàng)目有爬升、速度改變、降落等。在實(shí)驗(yàn)開展前期，采取K近鄰算法、隨機(jī)法完成機(jī)器學(xué)習(xí)程序，獲取樣本數(shù)量為4822個(gè)，訓(xùn)練周期為158秒、165秒。158秒的周期數(shù)據(jù)由K近鄰算法獲取，165秒的周期由隨機(jī)法計(jì)算獲取。觀測無人機(jī)通信信號(hào)辨識(shí)效率、飛行穩(wěn)定性、通信響應(yīng)周期。

■3.2 模擬結(jié)果

模擬實(shí)驗(yàn)總計(jì)持續(xù)15分鐘，完成信號(hào)傳輸90次，實(shí)時(shí)開展工作觀察。通信響應(yīng)周期借助傳感器完成記錄，在實(shí)驗(yàn)完成時(shí)直接獲取，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15分鐘。

（2）無人機(jī)通信信號(hào)辨識(shí)效率為98.35%。

（3）飛行穩(wěn)定性為100%，即發(fā)生碰撞可能性為0。

（4）通信響應(yīng)周期為0.22秒。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在15分鐘的實(shí)驗(yàn)周期范圍內(nèi)，多組無人機(jī)共同飛行對(duì)其實(shí)施的通信控制，控制效果良好，信號(hào)辨識(shí)效率高達(dá)98.35%，飛行穩(wěn)定性為100%，在各類飛行過程中無碰撞事件發(fā)生的可能性，在爬升、速度變化、降落等飛行過程中，通信響應(yīng)周期均值為0.22秒，能夠順應(yīng)大多數(shù)無人機(jī)作業(yè)的響應(yīng)需求，表示通信控制技術(shù)具有可行性。

■3.3 模擬分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)：在多組無人機(jī)同時(shí)飛行期間，將會(huì)形成一定的通信干擾問題。此類通信干擾問題具有可控性，以此減少負(fù)面問題對(duì)無人機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)面作用。為此，相關(guān)人員在實(shí)際運(yùn)行無人機(jī)前期，應(yīng)科學(xué)列舉可能性發(fā)生的飛行問題，借助相關(guān)控制思想、數(shù)字化技術(shù)加以回避。在控制技術(shù)本質(zhì)層面觀之，無人機(jī)作為自動(dòng)化技術(shù)組成的新型產(chǎn)物，在未來將會(huì)獲得廣泛的應(yīng)用，有效提升現(xiàn)代技術(shù)聯(lián)合使用效果，保障無人機(jī)性能獲得增強(qiáng)。為此，傳感器、通信技術(shù)、PID控制器，均作為無人機(jī)控制的有效方法。此外，在后續(xù)無人機(jī)控制研究中，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境因素的考量，比如大氣、雨天、電磁等因素，從其干擾視角，研究其控制方法，為無人機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行提供更多助力。

4 無人機(jī)的應(yīng)用

四旋翼無人機(jī)借助其較為簡易穩(wěn)定的構(gòu)造形式、常規(guī)性部件應(yīng)用、運(yùn)維便利等優(yōu)勢，使其制造、操作、控制等成本具有較高的經(jīng)濟(jì)性。與此同時(shí)，無人機(jī)在實(shí)際使用期間，行動(dòng)較為靈活，具備較強(qiáng)的隱藏能力，獲得廣泛應(yīng)用，在其他領(lǐng)域中逐漸開啟使用。比如京東配送服務(wù)融合了無人機(jī)控制程序，在網(wǎng)絡(luò)市場經(jīng)濟(jì)中嶄露頭角。同時(shí)在火災(zāi)監(jiān)測、森林防護(hù)、地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域監(jiān)測、失蹤人員救援方案制定、遙感圖像資料的有效獲取等領(lǐng)域，無人機(jī)同樣獲得了有效應(yīng)用。為此，加強(qiáng)無人機(jī)控制，提升其應(yīng)用性能，尤為關(guān)鍵。

5 結(jié)論

綜上所述，小型四旋翼無人機(jī)的構(gòu)造中，具有輕便、簡易等特點(diǎn)，使其在各領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)支持，發(fā)揮無人機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出，具有重要意義。