四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和控制綜述

趙陽　王敏　徐志輝　史非凡　王玉斌

摘?要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅猛，越來越多有趣的科技產(chǎn)品進入人們生活，其中四軸飛行器是不得不提的。四軸飛行器是一種靈活且易操控的小型無人機，在表演、航拍、運輸小型貨物等方面都有不錯的應(yīng)用前景。本文將先分類總結(jié)學(xué)者研究的進展和貢獻，再對四軸飛行器的結(jié)構(gòu)原理和控制方法進行綜述。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器;發(fā)展歷程;結(jié)構(gòu)設(shè)計;控制方法

1 四軸飛行器的發(fā)展歷程

世界上第一架四軸飛行器于1907年誕生于Breguet兄弟的工作室，四軸飛行器正式踏入歷史舞臺，但由于其在飛行時無法得到有效的控制，其穩(wěn)定性較差。1924年，名為Oemichen的四軸飛行器誕生，并完成了四軸無人機發(fā)展歷史上首次1KM高度的飛行。1956年，Convertawing發(fā)明的飛行器采用了使用兩個引擎來驅(qū)動四個旋翼的方式，通過改變四個旋翼產(chǎn)生的力來完成飛行控制，這架飛行器為后來的四軸飛行器打下基礎(chǔ)。近年來，隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論的發(fā)展和應(yīng)用，四軸飛行器得到了很好的發(fā)展，并為人類生產(chǎn)和生活都帶來了極大的便利。

2 四軸飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

四軸飛行器的機械結(jié)構(gòu)采用十字形交叉布置的方案。在四個主軸的外側(cè)端點處分別安裝四個電機，且要保證這四個電機的旋翼處在同一水平面，該結(jié)構(gòu)的中央部分具有安放飛行控制電路以及作為預(yù)留擴展平臺功能。該結(jié)構(gòu)的特點是，其十字形布局允許飛行器通過改變電機的轉(zhuǎn)速獲得調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)的力。飛行控制電路具有解算當(dāng)前飛行姿態(tài)并控制電機轉(zhuǎn)速的功能。圖1（a）所示為四軸飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖，設(shè)定1號旋翼為飛行器的頭部，讓1號旋翼和3號旋翼逆時針旋轉(zhuǎn)，讓2號旋翼和4號旋翼順時針旋轉(zhuǎn)。由于四個旋翼之間的轉(zhuǎn)動差異，會使得飛行器機身與水平地面產(chǎn)生一個傾斜角度。

如圖1（b）所示，四個旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力可分解成垂直地面向上的升力和前向分力。當(dāng)飛行器旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力大小與其自身重力相等時，前向分力使得飛行器沿傾斜角方向水平飛行。當(dāng)傾斜角是俯仰角時，飛行器可向前或向后運動;當(dāng)傾斜角是橫滾角時，飛行器向左或向右運動;當(dāng)傾斜角屬于航向角時，由逆時針旋轉(zhuǎn)的兩旋翼產(chǎn)生的反扭矩和順時針旋轉(zhuǎn)的兩旋翼產(chǎn)生的反扭矩的共同作用，飛行器會繞z軸自旋轉(zhuǎn)。具體飛行狀態(tài)控制可參照下表內(nèi)容。

3 四軸飛行器的控制方法綜述

四軸飛行器在航行中可能會突然受到來自氣流或磁場變化的干擾，使得傳感器采集的參數(shù)出現(xiàn)失真，這些錯誤信號輸入控制器就會使得飛行器的姿態(tài)發(fā)生紊亂，甚至是造成飛行器墜毀。為此，我們引入雙環(huán)PID控制對飛行器的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)控和修正，使之穩(wěn)定航行。對于其姿態(tài)控制，如圖2示，以變換靈敏的角速度因子作為內(nèi)環(huán)，以角度作為外環(huán)，當(dāng)飛行姿態(tài)出現(xiàn)偏差時，可以快速的對其姿態(tài)進行修正。同理，飛行器想要飛行在一個恒定的高度范圍，必須克服氣流運動對其機身的干擾，引入z軸加速度值作為內(nèi)環(huán)，對采集計算到的高度值進行持續(xù)調(diào)整，使之維持在預(yù)期的高度范圍。其中，PID輸信號控制電機轉(zhuǎn)速大小，可以調(diào)整飛行器的空間三軸歐拉角和高度。

通常采用PID控制算法中的位置式數(shù)字PID控制：

ut=kpet+ki∫t0etΔt+kdΔetΔt（1）

式（1）中ut代表PID控制算法輸出值，et為期望值與實際值之差，∫t0etΔt代表積分量，ΔetΔt代表微分量，kp、ki、kd分別代表比例、積分、微分的系數(shù)。

4 總結(jié)

飛行一直是人類的夢想。四軸飛行器作為一種流行的科技產(chǎn)品，可以在多種應(yīng)用場景之中為人們創(chuàng)造便利。隨著無人機技術(shù)的不斷的發(fā)展和應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來，相信四軸無人機會給我們帶來更多的驚喜。

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