江苏省南通中学 江苏 南通 226001
摘要：近年来，在无人机应用与实验领域，四旋翼无人机被认为是最好的平台。四旋翼飞行器实验平台采用ARM处理器控制无刷直流电机并且通过加速度传感器和陀螺仪的反馈数据进行飞行器的平衡控制和姿态调节。随着军用和民用市场的广阔应用需求以及四旋翼本身独特的性能，四旋翼飞行器已经成为航空学术研究中的热点问题。其中针对其系统结构的改进更是核心问题之一，本文就四旋翼飞机的系统架构改进提出了一些可行性方案，并针对四旋翼飞机其特有的系统架构进行创新。
关键词：四旋翼飞机；系统结构；稳定性；续航
1. 引言
在科技快速发展的现代，无人机领域的研究与应用已经取得了长足的发展。在无人机之中，四旋翼飞机作为一种应用广泛，结构精巧，稳定性强的机型而脱颖而出。而无人机的灵魂不仅在于功能强大的硬件措施，也在于拥有一套简明的控制程序。四旋翼飞机的改进也是当前一个经久不衰的课题。稳定性，续航能力和载重能力是三个可以改进的方面。本文将探讨在系统结构和硬件结构方面如何对无人机作出改进。
2. 国内外研究现状
2.1 国内研究现状
聂博文等人[1]对国内外微小型四旋翼飞行器的研究进行了分析，并对微小型四旋翼飞行器的发展路线和关键问题提出了看法。上海交通大学的刘焕晔等人[2]研究了小型四旋翼飞行器的控制系统，提出了基于Backstepping的自适应控制方法。大连理工大学的李尧等人[3]从硬件与软件两个方面对四旋翼飞行器系统进行研究，设计了一套基于四元数和卡尔曼滤波的姿态检测系统以及基于改进的变参数PID控制算法的姿态控制系统。西北工业大学的杨立本等人[4]针对四旋翼飞行器的自主飞行能力弱等问题提出并设计了一种自主控制架构，由导航控制系统与姿态控制系统组成。刘强等人[5]对四旋翼飞行器的系统组成、结构和软件算法进行了研究和探索。中国计量学院的李运堂等人[6]实现了基于多传感器的控制系统硬件电路设计，有效解决了加速度计以及陀螺仪易受外界干扰的问题。辽宁工程技术大学的李泽等人[7]提出了一种模糊与滑模相结合的控制算法用于姿态角控制器设计。谭广超等人[8]设计了四旋翼飞行器的机械结构，并研发了界面友好的控制算法调试系统，对自主研发的SmartQT四旋翼飞行器进行了飞行控制实验并能实现稳定性控制。
2.2 国外研究现状
在国外已经有很多高校和研究机构对四旋翼飞行器进行了研究。取得了一定成果的高校和研究机构包括：澳大利亚国立大学、美国宾夕法尼亚大学、美国康奈尔大学、瑞士联邦理工学院、法国贡比涅技术大学、美国斯坦福大学。这些高校的工作描述如下：
2.2.1 斯坦福大学
斯坦福大学研究团队致力于一个叫STARMAC的项目。这个项目是为了测试和验证多机算法和控制策略。它包含多个能够使用GPS和IMU传感器进行轨迹跟踪的四旋翼飞行器。使用四旋翼飞行器的线性化模型，采用LQR控制方法在姿态控制中，在高度控制中使用了滑模控制。STARMAC试验台是基于Draganflyer III模型，并自行设计了导航系统和飞行控制器；其中使用基于GPS、地磁计、陀螺仪、高度传感器和加速度传感器组合的姿态测量系统，使用两个微控制器处理飞行器上通信、测量数据、数据估算和控制。控制算法采用了增强学习和滑模积分控制算法，取得了良好的控制效果，这两种算法在高度控制中都取得稳定的性能和相似的响应时间，但是对瞬态响应，滑模积分控制算法有更好的效果。增强学习控制算法容易受到系统干扰的影响，从而导致稳定性的下降。另外，Mesicopter项目是侧重于微机电系统的应用，已经设计成功了大小尺寸仅为16mm×16mm×15mm的样机，并能够进行简单控制，项目的目标是实现该款飞行器的多智能体协同。
2.2.2 瑞士联邦理工学院
瑞士联邦理工学院的自主系统实验室启动了OS4项目，这个项目主要侧重于建立可以在室内环境全自主垂直起飞降落的微小型飞行器。主要工作有：1）试验台的设计、动态模型的建立，文章设计了两个独立的控制器：姿态控制器和位置控制器，其中姿态控制器采用的是非线性控制器并通过李亚普诺夫函数分析飞行器的稳定性，高度控制使用状态空间线性稳定技术稳定控制飞行器高度，最后通过建立的试验台获得一定的控制效果。2）将经典PID控制方法和现代LQ控制方法在四旋翼飞行器上实现并对这两种方法进行了比较，实验结果飞行器使用经典PID控制方法比LQ控制方法性能更优良，但是最优控制LQ应该有更好的结果，导致上述实验结果可能是没有考虑执行器的动态特性。3）在大角度控制中必须使用非线性控制方法，包括反步法和滑模控制方法；后期对非线性方法进行仿真和在试验台上实验，实验表明滑模控制方法取得一般的控制效果，部分原因是控制器的高频率切换导致了姿态传感器漂移，而反步法设计的控制器在相对高扰动下取得了很好的姿态角控制效果。4）最后，该研究团队给出了一个小尺寸垂直起飞降落飞行器设计的实际方法，并建立了实际飞行器，成功实现自主飞行。
2.2.3 宾夕法尼亚大学
宾夕法尼亚大学GRASP实验室研制出的四旋翼飞行器是目前最具有突破性的研究成果。该团队设计的四旋翼飞行器使用视觉信息测量姿态，其工作原理是：首先通过摄像机采集飞行器上特殊标记的位置信息，之后通过定位算法确定四旋翼飞行器的姿态信息和位置信息，并融合了机载惯性单元测量数据和视觉数据，达到了非常高的姿态和位置测量精度。另外，提出了基于两个摄像头的视觉方法，其中一个摄像头在飞行器上，另一个安装在飞行器外，通过这两个摄像头估算飞行器的姿态；机载摄像头降低了俯仰和滚转角的估算误差。在控制算法上，该团队提出了反步法和反馈线性化方法，实验结果显示反步法控制器能够很好处理随机姿态误差，取得优良性能。目前该团队研制出的四旋翼飞行器具备了室内全自动自主飞行的能力。
2.2.4 澳大利亚国立大学
澳大利亚国立大学对四旋翼飞行器进行了设计、制作、动态建模和控制策略的选定。设计了一个四旋翼飞行器，设计了一个控制系统并在设计的Mark I进行了实验，但由于没有获得精确的姿态角，实验没有取到满意的效果。此后设计了Mark II四旋翼飞行器，对飞行器的执行器进行了比较深入的分析，使用PID控制算法作为飞行器控制器的算法并认为不需要复杂的控制算法，但是没有给出飞行实验结果。
2.2.5 美国康奈尔大学
康奈尔大学AFV项目研究团队使用视觉系统计算四旋翼飞行器的姿态和位置，同时也是利用机载陀螺仪来测量四旋翼飞行器的角速度；其设计思路是通过机载高速陀螺仪测量和低速的地面视觉系统共同测量，并利用卡尔曼滤波器估算飞行器的姿态和位置。视觉系统使用三个摄像头检测在四旋翼飞行器安装的LED灯，地面PC机接收并处理数据产生控制输出再发送到飞行器中。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这套系统可以采用最优估算算法消除了陀螺仪的漂移和视觉系统低频率、延迟的影响，但是由于视觉系统安装固定，飞行器飞行的区域受到了限制。之后为了克服这个限制，该团队设计了一个小型四旋翼飞行器并搭载了所有传感器和需要的设备，对四旋翼飞行器非线性模型进行线性化，并使用LQR控制技术在姿态控制器中，对悬停控制取得良好的控制的效果，但该团队没有对四旋翼飞行器的位置控制进行深入研究。
2.2.6 法国贡比涅技术大学
贡比涅技术大学（UTC）组成研究团队非常早就成功将实时控制运用到四旋翼飞行器。该团队通过拉格朗日方法获得动态模型，同时采用基于饱和控制策略的控制算法，相比之前研究考虑到了旋翼的饱和特性。该团队使用Draganflyer III作为实验平台，该实验平台有手动控制和自动控制模式，并可以自由切换。该团队工作有：
A.四旋翼飞行器的控制器分为多个模块，首先偏航控制器采用PD控制器并通过手动飞行获得控制器参数；其次滚转角控制器参数是在油门和俯仰角手动控制的情况下获得；再者，确定滚转角参数后俯仰角控制器参数在油门手动控制下获得；最后镇定获得油门控制的参数。通过实验，提出的控制方法取得了满意的控制效果。该团队对非线性控制方法和LQR控制方法进行了实验，表明在大角度时非线性控制方法能够取得良好的控制效果，同时在悬停控制时，采用LQR控制方法很难获得一个良好的悬停，会出现震荡；采用嵌套饱和控制策略后在有明显干扰情况下，飞行器仍然可以取得满意的控制效果。
B.在达到悬停控制和位置控制后，UTC团队进一步对轨迹跟踪进行了研究,采用非线性控制算法并取得了良好的结果，但实验结果在实验室小范围内进行的飞行；如果在长距离、高速度情况下，采用同样的方法将不能得到良好的结果。
C.UTC团队为四旋翼飞行器建立了一个机载嵌入式系统，包含测量姿态位置的陀螺仪、加速度计、地磁计和超声波等传感器，并在这个飞行器上运用PD和嵌套饱和控制器，并在悬停状态是飞行器取得相似的控制效果。UTC团队认为后续工作应该提高角度和位置的估算精确度，以及飞行器的控制算法。
除以上机构外，还有麻省理工学院、千叶大学、奥克兰大学在四旋翼飞行器进行了深入的研究。麻省理工学院（MIT）的无人机集群健康管理计划侧重于多机器人协作领域的研究。2007年MIT实现了一台地面装备对多架四旋翼飞行器的操控，并用于监控和追踪车辆和地面目标，使用IMU惯性测量单元进行姿态测量，激光扫描阵列用于周围环境感知、重建并规划飞行航线。另外还有美国Draganflyer公司的Draganflyer系列遥控模型、法国派诺特公司的AR.Drone遥控模型。
3. 系统结构创新
3.1 系统稳定性
稳定性方面，可从硬件结构与软件方面入手。无人机的机翼周围可以增加一圈塑料板，这样能够减轻外界气流对飞行器机翼的干扰。选用塑料可以减轻材料重量，以更小的耗电量来换取稳定性。另外，在无人机的控制模块可放置于无人机四旋翼的平行位置，以流线型塑料壳覆盖，以节省无人机机身下的空间来搭载其他硬件设备。
3.2 续航及载重
续航与载重能力方面，无人机由于体积小，无法搭载大容量电池，因此为提高续航能力可以从两个方面进行改进。一为减小各硬件耗电量，二为利用外界的风能或太阳能。减小耗电量，可以通过简化硬件，使无人机只搭载一种用途的硬件设备，也可以选用更加节能的硬件设备。在电池的选用方面，应尽量选择容量大重量小的高效能电池。利用外界的风能和太阳能一直是国内外研究的热门课题之一，美国的NRL电子战术部门高级航空航天工程师丹?爱德华兹博士说：“我们经常听到行业内和作战人员的抱怨，他们希望延长飞机的飞行时间。要想解决这个问题，利用大气中的风能或太阳能来提高无人机续航能力是一个很好的办法。阳光会使地球表面升温，从而使最低大气层温度升高。这些暖空气最终会形成气团，向上升起，成为上升热气流，飞机利用上升热气流升高，这就是太阳能的间接利用。”具体优化方案如下：
A.飞行器的设计可以尽量减少各硬件重量，可以从材料的选用进行优化；
B.无人机性能可以趋向专业化，单一化以减少硬件数量，从而达到减重的目的；
C.选择合适大小的机翼以及电池，也可以使得载重量得到提升；
D.保持稳定的飞行姿势可以减小电池的负荷，从而间接达到提高载重能力的效果。
4. 四旋翼飞机的未来发展和展望
四旋翼飞机在当今的各行各业中都有广泛的运用，四旋翼飞机已从最初的模型玩具变成了人们手中得力的工具。展望未来，四旋翼飞机会在军事（侦查，勘测，搜寻目标，执行进攻任务等）、商业（餐饮，物流，运输，新闻，广告，摄影）、农业（喷洒农药等）、工业（监测，电力巡线，矿产勘测等）中发挥更大的作用。无人机今后会更加注重稳定性以及续航能力。相信未来，四旋翼飞机一定会在更多的行业中得到更为广泛的运用！
参考文献
[1]聂博文, 马宏绪, 王剑,等. 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J]. 电光与控制, 2007, 14(6):113-117.
[2]刘焕晔. 小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计[D]. 上海交通大学, 2009.
[3]李尧. 四旋翼飞行器控制系统设计[D]. 大连理工大学, 2013.
[4]杨立本, 章卫国, 何墉,等. 一种自主四旋翼飞行器控制系统结构研究[J]. 飞行力学, 2016, 34(1):59-62.
[5]刘强. 四旋翼飞行器控制系统的研究[J]. 科技通报, 2016, 32(4):121-125.
[6]李运堂, 贾宇宁, 王鹏峰,等. 基于多传感器的四旋翼飞行器硬件系统设计[J]. 传感器与微系统, 2015(2):119-121.
[7]李泽. 四旋翼飞行器姿态控制系统性能优化设计[J]. 计算机仿真, 2017, 34(5):58-62.
[8]谭广超. 四旋翼飞行器姿态控制系统的设计与实现[D]. 大连理工大学, 2013.
论文作者:秦祯
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/14
标签：飞行器论文; 旋翼论文; 无人机论文; 姿态论文; 算法论文; 控制器论文; 方法论文; 《科技新时代》2018年11期论文;