多旋翼無人機高空飛行穩定控制問題分析

張利民　張益　聶其兵　叢恒　黃鵬

【摘 要】多旋翼無人機由于它的機械機構較為簡單，并且維護和應用比較方便，可以實現垂直起降和快速放飛，在近些年來已經在很多領域得到了廣泛的應用和發展。跟微小型的四旋翼無人機相比較，大軸距多旋翼的無人機有著更加優良的載重能力、抗風能力以及續航能力，在工業現場中的應用可以將其價值完好的體現出來。而多旋翼無人機在高空飛行過程當中的穩定控制是目前研究較為廣泛的一個問題，本文主要就多旋翼無人機在高空飛行過程中抗風性的問題進行了簡要的探討。

【關鍵詞】多旋翼無人機；高空飛行；穩定控制

1 大氣運動對于多旋翼無人機形成的影響

電機槳葉的旋轉所形成的氣流運動，是多旋翼無人機最為主要的動力來源，不過在大氣環境之中，風場的運動會對槳葉所承受的相對氣流加以改變，繼而影響到旋翼在力跟力矩的輸出，對無人機在高空飛行的姿態、速度以及軌跡控制形成影響。

2 多旋翼無人機抗風等級的評估

在對多旋翼無人機加以設計的過程當中，抗風等級是一種比較重要的設計指標，所以應該結合模型，并且應用相應的實驗數據對其抗風性加以評估，主要是關于無人機出現在不同的蜂場強度之下能夠維持固定姿態和位置所呈現的可控性做出的評估。

為應用模型對抗風等價加以評估，我們把相應的控制率在simulink模型當中加以實施。如圖一所示。圖中最左面的木塊是控制器設計，其輸出包括油門、橫滾、偏航以及俯仰這幾個通道輸出，繼而利用電機分配的算法將其轉化成為八個電機轉數所對應的控制量。而最右邊的木塊則是多旋翼無人機的系統對象，把模型當中之前的風場輸入自非線性的模型之中實現引出，繼而變更成為能夠應用外部向量值而直接得出想要投影至無人機機體坐標系之下的風速。將為之設定值改成[0 0 0]，然后將偏航角控制設定于正北的方向之上。而在縱向通道上時，對風速加以逐步增大，對無人機所能夠維持的位置所對應的姿態角響應加以記錄。

如圖二所示，利用不同風速之下所對應的姿態角的配平工作點，計算出能夠擬合出的對應風力-姿態曲線。圖二當中的橫軸表示風力的強度，而縱軸則表示對應的風場強度之下，無人機為了保持位置的單個通道方向所形成的配平抗風姿態角。結合模型所具備的有效性和無人機飛行需要的速度，在控制率的設計時應該把無人機的最大姿態角所對應的設定值限制在二十度以內，多對應的抗風性能就比十五米每秒要大，實現了獨一五級風強范圍的覆蓋。

在我國某地區對八旋翼無人機實施懸停抗風實驗，用俯仰姿態角迎著風向，這個時候實驗人員利用手持形式的風速測量儀對地面的風速加以測量，是七到八米每秒。飛行姿態角的實際數值如圖三所示。在實施這個懸停實驗的過程當中，飛行器被拉高到了五米的高度后進行懸停，繼而防止地面效應的影響。可以在最大程度之上使俯仰通道對著風場的方向，讓抗風姿態角可以盡量在俯仰單通道中得以呈現。因為地表所具備的粘滯性，所以與地面接近處的風場所呈現出的變化不夠穩定，所以反應出的俯仰姿態角在波動范圍上也比較大。不夠利用相關的統計能夠得知，在四十秒的懸停時間之內的配平風速所呈現的俯仰姿態角所具備的平均值是4.75度，跟基于模型所得出的風力-姿態取向在計算八米每秒的風速之下相應姿態角五度的數值十分接近，其誤差大概在百分之五之內。

經過了多次抗風實驗驗證，并且將模型所具備的抗風性加以分析可以得出結論，本文中設計的無人機的最大姿態角限幅是二十度的情況之下，可以在十五米每秒的風速當中維持在一定的位置，基本能夠達到抗六級風的能力，對需要的指標需求可以加以良好的滿足。

3 結束語

本文主要結合一個實驗對多旋翼無人機在高空飛行過程中抗風性進行了探討，實驗結果表明所設計的無人機抗風實驗中，該多旋翼無人機可以實現對六級風的抵御。

【參考文獻】

[1]薛偉霖.四旋翼無人機姿態控制的研究[D].沈陽工業大學，2016.

[2]李誠龍.多旋翼無人機高空飛行穩定控制問題研究[D].浙江大學，2016.

[責任編輯：張濤]