小型無人機結構與控制

與人工駕駛的飛機相比，無人駕駛飛機不受人身心極限的限制，可以執行人工駕駛飛機無法實現或很難實現的用途，因此無人機被廣泛應用于軍事、民用以及商業領域。本文以旋翼式無人機中的小型四旋翼無人機作為探究對象，詳細探討了無人機的系統組成、機械結構與控制器，介紹了核心的PID控制方法原理與應用。通過對小型四旋翼無人機的探索，分析了無人機的優點、特性和適用領域，并對其可能實現的用途進行了展望。

【關鍵詞】無人機 自動控制 PID控制

無人機，即無人駕駛飛機的簡稱，是一種依靠控制器而不依靠載人駕駛飛行的飛機。與傳統載人駕駛飛機相比，無人機具有多種優勢，因此被廣泛應用于軍事與民用領域。在軍事方面，無人機具有良好的機動性，極強的隱蔽性，不會造成無人員傷亡等特點，可應用于戰場的偵察行動，對戰中的實時支持和巡邏，空中情報截獲等方面，在最近的幾次局部戰爭中都出色地完成了軍事任務。在民用方面，利用無人機飛行時間長、靈活便捷、可以跨地形拍攝等特點，被廣泛應用于執行不利于人類執行的任務，可完成在高危環境或山區惡劣環境條件下的任務。比如當前在森林火災搶險、遙感圖像的獲取、地理與地形的測量勘探、失蹤救援搜救等方面，無人機都得到了充分的利用。

無人機根據不同的機身外形和動力學原理，可以分為固定翼式和旋翼式無人機。固定翼式無人機指的是機翼固定的無人機，在形態上與傳統大飛機沒有很大差別，主要利用滑行和空氣動力進行飛行，利用機翼和尾翼進行姿態調節。由于以商用大飛機為基礎的空氣動力學已經被研究得十分透徹，因此固定翼無人機在技術上較旋翼式無人機更為成熟。固定翼無人機的優點是飛行速度快、機動效率高、承載載荷大等，缺點是需要較大的起飛著陸場地，使用范圍受到了環境的限制。旋翼式無人機采用多旋翼作為飛行動力，并通過調整多個旋翼的旋轉方向與力度來調整無人機的速度與姿態。多旋翼無人機采用了直升機的空氣動力學原理，因此具有很多直升機的特性，比如垂直起飛降落、定點懸停、側飛與倒飛等。多旋翼無人機具有非常穩定的飛行姿態，極大程度上降低了對使用環境的要求，具有廣泛的應用前景。

本文以小型四旋翼無人機作為探討對象，針對其系統結構組成、機械結構與控制方法等議題進行了研究，希望進步一發掘其利用途徑。

1 小型無人機結構組成

四旋翼無人機系統由三部分組成：負責計算控制信號的地面控制站，負責通信的機載控制系統和負責得到無人機飛行狀態信息的導航系統。

圖1（a）給出了四旋翼飛機的地面控制站示意圖，地面控制站主要負責實時觀測四旋翼無人機的位姿信息，接收得到無人機飛行狀態信息并及時處理，利用控制器運算得到無人機的控制信號并發送出去。

機載控制系統和導航系統放置在機身上，如圖1（b）所示。機載導航系統主要負責測量得到飛行狀態數據，這需要利用種傳感器，如陀螺儀、氣壓計等。根據傳感器得到的數據可以實時解算出四旋翼無人機的位置、速度、姿態等飛行信息，并將它們傳遞給地面控制站便于控制站解算控制信號。

與地面控制站的通訊由機載控制系統負責，把來自地面控制站的控制信號轉變為電機控制信號發送給電機系統，來實現對旋翼旋轉方向和轉速的控制。

如圖1（b）所示，四旋翼無人機采用的機械結構為四個電機旋翼，四個小型電動機提供動力，采用小型電機的優點在于能源較容易獲得，并且對比于其他動力源的發動機更輕便穩定。采用偶數的旋翼可以通過調整對角的相對位置與轉速對無人機的姿態進行調整，之所以利用這樣的構造方式，是因為四個轉速相等的旋翼可以產生相同的電動扭矩，使得非平衡力矩得到抵消。一般的直升機也需要消除非平衡力矩，但是通過尾翼的轉動來消除的，顯然四旋翼結構能更有效地實現這一目的。在飛行過程中，飛行控制器通過調節四個電機的轉速來實現各種飛行姿態：垂直起降可以完成平穩的起降任務，前進后退與左右飛行可以實現基本的巡航功能，前后翻轉和左右翻轉可以得到高難度的角度以更好地執行拍攝等任務。

從系統構造可以看出，四旋翼無人機具有以下幾個重要的特點：

1.1 機動性能較強，適應能力優良，可以在起伏不定的環境下執行任務

與固定翼相比，四旋翼無人機不需要起降跑道，垂直起降的功能保證了其起降區域不受限制，這樣極大地節省了空間需求。空中懸停功能可以得到更加穩定的圖像效果，這是固定翼無人機無法實現的。

1.2 機械構造緊湊，控制方法簡單

同直升機結構相比，由于采用了小型電機， 四旋翼無人機的機械構造更加緊湊。同時，四個螺旋槳的推力可以提供更多的控制維度，比單個螺旋槳產生的推力能更簡單地完成各姿態調節。

1.3 噪聲較小，隱蔽性強

由四個螺旋槳分擔受力，每個電機的功率不需要太大，因此噪聲更小。而且由于采用了更小的電機，可以很好地避開熱力雷達，從而使得四旋翼無人機具有更好的隱蔽性，因此在戰場環境中小型四旋翼無人機能夠勝任隱蔽性強的任務。

2 小型無人機控制原理

無人機作為一種無人駕駛的自動化設備，其控制原理可以利用自動控制原理的基本分析框架進行分析。

如圖2所示，圖2（a）給出了自動控制的基本閉環框圖。當今的閉環自動控制技術都是基于反饋的概念以減少不確定性。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量得到被控變量的實際值，并與期望值相比較，控制器可以利用這個偏差對被控對象實時控制，來糾正系統的響應，實現對被控對象的控制與調節。

如前文所述，待執行任務從地面控制站通過機載控制系統發送給無人機，無人機執行后將位置、速度、姿態等飛行信息反饋給地面控制站。這個過程中，地面控制站相當于圖2（a）中的控制器，圖中執行器是無人機的電機系統，被控對象是四旋翼無人機的旋翼，檢測裝置是無人機上搭載的各種傳感器。

對于四旋翼無人機而言，可選擇的控制器很多，研究者也試圖將各種復雜的先進控制器施加到無人機控制中。但控制器實現越復雜，對模型準確性的依賴就越強，其實際控制效果反而不如PID控制。因此目前在大多實際無人機控制模塊中仍使用PID控制作為其核心算法。

PID控制器指的是比例（P，proportion）、積分（I，integral）、微分（D，differential）控制控制器，雖然結構簡單，但它是在工業過程中應用最廣泛的一種控制方法。PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，各個單元有各自的特點與控制領域，比例控制實現基礎控制，積分控制消除靜差，微分控制可加快系統的動態響應速度。恰是因為PID控制器簡單易行，因此可以用于各種應用場景，才在無人機工業得到了大范圍的應用。

3 結束語

從上文的介紹可以看出，四旋翼無人機還具有很大的潛在軍用以及商用價值有待發掘。四旋翼無人機具有很多獨特的構造優點，比如結構簡單、使用部件較常規、維護方便、能源獲取便捷等，使其制造成本和學習成本相對于其他無人機更為低廉。加之其所具備的行為靈活、隱蔽性強、用途廣泛等性能特性，很多之前無人機未涉足的領域現在也逐漸被開發出來，比如電商巨頭亞馬遜和京東就開始使用無人機進行配送，并且民用拍攝無人機也獲得市場認可。綜上所述，開展小型四旋翼無人機的理論和技術研究在開展學術理論研究、推動相關產業和技術發展、加強國防建設、創造經濟效益等方面都具有重大的意義。

參考文獻

[1]文錕.基于計算動詞PID控制器的四旋翼無人機控制及地面控制系統設計[D].廈門大學，2013.

[2]聶博文，馬宏緒，王劍等.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術[J].電光與控制，2007，14（6）：113-117.DOI：10.3969/j.issn.1671-637X.2007.06.028.

[3]王偉，張晶濤，柴天佑等.PID參數先進整定方法綜述[J].自動化學報，2000，26（03）：347-355.

作者簡介

張睿（1999-），男，現就讀于重慶魯能巴蜀中學校。

作者單位

重慶魯能巴蜀中學校 重慶市 400025