四旋翼無人機的控制系統，遙控及用途分析

TIME: 2018-06-21 新聞資訊

目前市面上的旋翼無人機分爲三旋翼無人機、四旋翼無人機、六旋翼無人機、固定翼無人機等，與單旋翼式無人飛行器相比，四旋翼飛行器布局簡單、易于控制、操作靈活，在飛行穩定性和可操縱性上更加突出。此外，噪聲小，制造精度低，隱蔽性好以及在狹小空間中完成飛行任務等優點，使得四旋翼擁有更加大的應用潛力。

法国parrot公司开发的AR.Drone2.0四旋翼无人机具有良好的操作性，可采用智能手机控制其飞行到30米的高度。机载高性能摄像机，能够实现在飞行中拍摄，同时，用户可对其进行远程遥控，调整飞行姿态和飞行轨迹。AR.Drone2.0内置1GHz ARM Cortex A8处理器、800MHz DSP、1GB DDR RAM，3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、电子式气压传感器、超声波传感器，4个智能直流电机，为实现机体的精准控制和平稳飞行提供硬件保障。通过采用优化的控制算法，能够实现垂直起飞、垂直降落、空中盘旋和空中翻转等飞行动作。该无人机最大飞行高度为30米，最大飞行半径为50米，最快飞行速度可达30m/s。

與歐美發達國家相比，我國的小型四旋翼無人機的研究和發展起步相對較晚，但是隨著小型四旋翼無人機技術的成熟和應用需求的增加，我國許多高等院校、科研機構、高新技術企業加入到小型四旋翼無人機的研發和制造大潮中來，並取得了豐碩的研究成果。

深圳大疆创新科技公司生产的Phantom系列小型航拍四旋翼无人机在国内外销售业绩很好。该公司的经典机型主要用于航拍。机载相机拥有1200万像素，可以实现高清晰度成像，拥有4K高清视频录像的帧率为30帧/秒。同时采用创新的航拍防抖技术，在复杂的航拍状况下，三轴云台可以使相机始终保持平稳，以获取平稳流畅的画面。当其在室外飞行时，借助机载的GPS和GLONASS卫星导航系统和智能飞行控制系统，可以实现准确飞行并可以自动返航。当其在室内飞行时，凭借先进的视觉定位系统和高精度超声波传感器，通过实时的图像分析和高度测量，实现室内的精确定点悬停和平稳飞行。高精度自紧旋翼性能突出，为实现特定的飞行动作提供稳定、准确、快速的动力。Phantom3能自动记录重要的飞行参数，例如航点、航线、飞行时间、飞行距离、飞行高度等信息，并实时存储拍摄的照片和视频等资料，以便于后期检索。Phantom3的电池具有完善的保护功能和监测功能，保证飞行安全并能够实现安全返航。遥控器工作在2.4GHz-2.8GHz频段，在无遮挡的情况下，遥控距离约3000米。APP有iOS版本和Android版本，支持多种移动设备，通过智能手机或者平板电脑，用户可以实时查看拍摄的视频图像。

四旋翼無人機控制系統能夠利用自動控制系統，能夠對飛行器的構形、飛行姿態和運動參數實施控制，其載有加速度計、陀螺儀、氣壓計、羅盤等傳感器。由它來控制各個電機的轉速進而控制飛機的姿態，加上GPS或差分GPS可完成定點懸停，自主航線飛行等功能。四旋翼無人機在飛行控制上使用直接力矩，實現6自由度（控制和姿態）控制，具有多變量、非線性、強耦合和幹擾敏感的特性。該飛行器的四個旋翼和四個電機分別固定在具有中心對稱結構的十字架結構機身的四個端點。改變四個電機的轉速從而改變升力，實現四旋翼飛行器的軌迹和姿態控制。四旋翼無人機控制系統的基礎是四旋翼無人機的姿態的實時檢測，姿態檢測部分包括對四旋翼無人機的姿態角以及姿態變化速率的測量。微小型四旋翼飛行器是一種非完整約束的二階欠驅動強耦合系統，在飛行過程中，四旋翼無人飛行器可以通過調節四個螺旋槳的轉速直接控制其姿態角度和飛行高度，而對于飛行器的水平位置，只能通過飛行器姿態角度與水平位置之間的耦合關系來間接控制，因此實現四旋翼無人飛行器三個方向的位置控制具有較大的難度。除此之外，由于四旋翼無人飛行器體積小並且重量輕，在飛行過程中空氣阻力和阻力矩對其影響比較大，因此在設計飛行控制器時還需要考慮到時變的外部幹擾問題。除外界擾動以外，在每次飛行中，不同的負載導致飛行器的重量以及轉動慣量也都會有很大程度上的差別。

关于四旋翼无人机的遥控，通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转所以最低得4通道遥控器。而遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手。所谓遥控器油门，在四轴飞行器当中控制供电电流大小，电流大，电动机转得快，飞得高、力量大；反之同理。判断遥控器的油门很简单，遥控器2个摇杆当中，上下板动后不自动回到中间的那个就是油门摇杆。

四旋翼無人機用途方面，小型四旋翼無人機在民用領域的應用越來越廣泛，已在交通、航拍、農業、應急救援和災害監測等領域獲得成功應用。交通方面，通過在城市上空巡航對交通狀況進行實時監測，然後，通過無線通信技術將交通信息發送給交管部門，當發生交通事故或交通堵塞時，可以及時獲取第一手的現場圖像資料，加快事故處理和恢複交通的速度。航拍方面，小型低空無人機通過搭載高清攝像機可以實現婚禮現場、新聞節目、測繪測量和影視娛樂等場合的航拍工作。農業方面，由于無人機具有輕便小巧，機動靈活，起降不需要專用跑道等突出優點，在農藥噴灑等場合應用前景廣闊，這將對于提高農業自動化，降低農民勞動強度，減少農藥對人身健康的損壞意義重大。應急救援方面，在2008年四川汶川地震中，民政部門使用無人機采集災區相關數據來評測災情，提高了救援效率和救援效果。地質災害監測方面，使用無人機能夠降低自然地理條件對地質調查工作的不利影響，大幅提高地理信息的獲取速度，降低地質災害調查的工作強度。

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