小型四旋翼無人機硬件結構綜述

張瑞辰

【摘 要】隨著現代控制技術的快速發展，小型四旋翼無人機的研究和應用受到了越來越為廣泛的關注。本文回顧了四旋翼無人機的發展歷史，介紹了小型四旋翼無人機的飛行基本原理，從動力系統、傳感器系統、飛控系統、通信系統等幾個模塊出發，全面分析了小型四旋翼無人機的硬件結構及其工作指標和要求，并對其未來的的應用范疇和發展方向做出了展望。

【關鍵詞】無人機 四旋翼 傳感器 飛行控制

1 引言

伴隨著航空航天技術的快速發展，無人機技術也在快速發展，并逐漸從軍用領域進入民用領域，其中最常見的就是四旋翼無人機。四旋翼飛機是一種由十字分布的四個螺旋槳組成的六自由度欠驅動系統，四個由螺旋槳組成的旋翼處于同一水平面上，結構和半徑相同[1]。四旋翼無人機因為其小型化、輕量化、結構簡單、成本低、可垂直起降同時便于控制，被越來越多地應用于航拍、探測、農藥噴灑等領域。

2 四旋翼無人機的發展歷史

四旋翼無人機擁有較長的發展歷史。1903年萊特兄弟成功試飛人類歷史上第一架飛機，四年后，也就是1907年，法國人Breguet兄弟設計并試飛了歷史上第一架旋翼飛機Breguet-Richet Gyroplane，該飛行器為四旋翼結構，飛行員坐在中間，在起飛時，飛行器四個端點位置需要工作人員協助才能起飛[2]。雖然飛行情況不是很理想，但是其基本結構與飛行原理與如今的四旋翼無人機類似。其后，在1922年，標致汽車公司的工程師Etienne Oemichen設計出了歷史上最早的可以實現懸停的旋翼飛機[2]。

之后的數十年中，四旋翼無人機技術一直沒有太大的進展。

不過，進入21世紀以后，隨著控制理論、傳感器技術和電池技術的蓬勃發展，小型化旋翼無人機的實現成為了可能。國內外高校、研究所和公司相繼投入進行小型旋翼無人機的研究。德國的microdrones公司于2005年推出了md-200系列無人機，其結構已經和目前小型四旋翼無人機相差無幾[3]。美國的賓夕法尼亞大學、麻省理工學院在旋翼無人機領域擁有很強的實力。我國的大疆創新公司所生產的小型多旋翼無人機已經占據了世界航拍市場過半的份額，其飛控、通信技術也出于業內領先地位。

3 小型四旋翼無人機飛行原理

四旋翼飛機通過調節四個電機的轉速來實現升力的變化從而實現對飛行器飛行姿態和位置的控制。四旋翼飛機有四個輸入動力，但是可以實現六個狀態的輸出，具體如圖1。

四旋翼飛行器的電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。現規定X軸正方向為前進，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高，在下方表示此電機轉速下降。

圖1描述了理想狀態下四旋翼無人機飛行狀態與四個電機輸出情況的狀況的關系，實際飛行情況還會受到外界風、地面效應、原有飛行狀態等影響。

4 小型四旋翼無人機的硬件構成

整個無人機飛行器可以被分為動力系統、傳感器系統、飛控系統、通信系統等幾個模塊。飛控系統是整個無人機的控制核心，傳感器系統是無人機獲取飛行狀態信息的重要單元，通信系統起著連接機上各系統和連接地面站與無人機的作用，動力系統則負責飛機飛行動力的提供。圖2為四旋翼無人機硬件結構框圖。

4.1 飛控系統

飛控系統或稱飛控板主要負責無人機飛行姿態、飛行位置的計算與控制，發送PWM信號給動力系統等。

四旋翼無人機本質上是一個不穩定的系統，所以飛控系統無時無刻不在監視并控制著無人機的飛行狀態，將遙控器和地面站的飛行指令轉化成對應的PWM信號發送給四個螺旋槳，使飛行器盡可能地滿足設定的飛行要求。因而，飛控系統必須具有較強的處理性能和較高的工作頻率。

4.2 傳感器系統

傳感器系統主要負責采集飛行器飛行狀態信息，小型四旋翼無人機主要可以分為以下幾個傳感器單元：姿態測量單元（陀螺儀，加速度計，電子羅盤），位置測量單元（GPS，氣壓計）。如果說飛控系統是無人機的大腦，那么傳感器系統就是無人機的感覺器官。

由于四旋翼無人機各個旋翼之間本身的不完全一致性和存在于旋翼間的復雜氣流擾動等因素，無人機的姿態難以做到完全穩定。因而，無人機需要配有姿態測量單元以監測集體姿態并反饋給飛控系統。姿態測量單元中，陀螺儀可以獲得相對于當前方向轉動角速度，通過對角速度積分即可知道任意時間的姿態角[4]。然而，單一傳感器并不可靠。輔以電子羅盤和加速度傳感器則可較為準確的知道無人機的具體姿態信息。對于位置測量單元來說，需要能夠滿足小型無人機室內和室外使用兩種場景。室內場景主要通過視覺技術定位，本文討論的是室外應用場景。隨著衛星定位技術的發展，目前無人機通常使用消費級的GPS作為位置測量方案。消費級GPS普遍可以達到米級的定位精度，這并不能完全滿足無人機對于高度信息的要求。一些近地、近水的飛行動作要求無人機有更精確的高度控制，人們通常使用高度氣壓計實現這一目標。其工作原理很簡單，大氣壓隨著高度增加而減小，通過測量地表氣壓并作為基準，無人機就可以很精確的知道在某處的高度。

4.3 通信系統

通信系統負責主要接收遙控器的控制指令，因為大部分小型四旋翼無人機還配有地面站，通信系統還負責與地面站的通信。

控制四旋翼無人機的方式有很多種，由于飛行遙控器控制距離遠、信道多、抗干擾能力強，所以飛行遙控器是主流的控制方式。遙控器往往配有對應的接收機。遙控器的通信鏈路由它們構成。另一方面無人機通常需要和地面站進行通信，回傳飛行參數和航拍畫面。常用的通信方式有無線數傳模塊和圖傳模塊。

4.4 動力系統

動力系統是支持無人機飛行的重要部分。動力系統一般由電機、電子調速器和螺旋槳組成。電子調速器可以將飛控系統的PWM信號轉化為輸出給電機的電壓，不同占空比的PWM信號對應于不同的輸出電壓大小。一般而言，要求遙控器油門在中點時，四個電機產生的升力剛好和系統自重相當，可以實現飛機的懸停。

4.5 其他硬件單元

無人機上還配有電源模塊實現對整機的供電。有些四旋翼無人機還配有如云臺等的特殊任務單元等模塊，以滿足不同類型、不同用途的無人機的特定需求。

5 總結與展望

現如今，旋翼無人機技術已經被廣泛的應用于我們的生活之中，最常見的莫過于旋翼無人機航拍、無人機快遞。小型四旋翼無人機技術也越來越成熟。不過，現有的無人機性能仍有很大的提高空間。如何降低無人機的自重和功耗，提高無人機飛行時間和飛行速度是一個重要的研究方向。另一方面隨著應用場景的增多，對無人機飛行控制和飛行狀態監測的實時性、飛行穩定性的要求也越來越高。除了對于無人機單體的要求外，多機協同、集群飛行也是目前研究的一個熱點。

旋翼無人機技術以其低成本、小型化的優點必然會在以后更廣泛的應用于我們的日常生活中。

參考文獻：

[1]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.

[2]王樹剛.四旋翼直升機控制問題研究[D]. 哈爾濱工業大學， 2006.

[3]張天航，白金平.旋翼式無人機的發展和趨勢 Development and Trend of Unmanned Rotorcraft[J]. Artificial Intelligence and Robotics Research，2013.

[4]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發展及應用[J].飛航導彈，2006（4）.