新型旋翼無人機通信技術(shù)探究

黃朝陽，胡國軍

（紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興 312000）

1 四旋翼無人機模型系統(tǒng)的確定

新型旋翼無人機具有如下優(yōu)勢：（1）性能優(yōu)良，特別是在低空領(lǐng)域，機動性能強，可在環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空中懸停監(jiān)視偵查，快速地在大街小巷和叢林山川中穿行、起降；（2）可持續(xù)性強，耗能低，只需要4個馬達(dá)即可，因此具有噪音低的特點，不僅適用于軍事，還可以在許多商業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用；（3）操作簡單，原理通俗易懂，適用于各個年齡階段的使用；（4）無人機成本低，結(jié)構(gòu)組成簡單，拆裝更換零部件十分容易，便于后期維護；（5）功能強大，航拍不僅可以用于影視作品的制作，還能用于各種地質(zhì)勘察，收集數(shù)據(jù)，在軍事上可完成情報獲取，由于其體積較小，可以有很好的隱蔽性，當(dāng)然還可在搶險救災(zāi)、快遞投送等工作中起到一定作用。

1.1 無人機飛行控制系統(tǒng)的硬件組成

典型的無人機硬件系統(tǒng)主要由電子調(diào)速器、電機、各種傳感器、飛行控制器、螺旋槳的動力系統(tǒng)及供電系統(tǒng)等組成。

其中，無人機的動力來源是4個馬達(dá)，通過作動螺旋槳來實現(xiàn)無人機的飛行任務(wù)；操作人員通過地面控制站（也就是遙控器）對無人機進行操控，實現(xiàn)使用者與飛機之間的信息交互。

在實際應(yīng)用中，飛行控制的基本過程（見圖1）為：用戶在控制臺根據(jù)需求輸入相應(yīng)的命令，控制器生成相應(yīng)的數(shù)字指令，通信系統(tǒng)將信號傳送給無人機的傳感器，主控制處理單元負(fù)責(zé)將數(shù)字信號裝換成電信號，改變無人機的飛行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對飛機的控制與導(dǎo)航。

圖1 無人機控制模型

1.2 云臺技術(shù)的應(yīng)用

無人機在空中飛行進行航拍，必須應(yīng)用云臺技術(shù)即空中三腳架，從而使攝像頭能夠穩(wěn)定獲取畫面。

1.3 確定無人機的數(shù)學(xué)模型

首先制定模型的假設(shè)條件：（1）無人機視為剛體，飛行過程中不會因為空氣阻力或其他原因而發(fā)生結(jié)構(gòu)改變；（2）4個馬達(dá)型號相同，確保可以提供統(tǒng)一的電流、電壓；（3）4根機翼正交安裝，無人機重心位于幾何中心；（4）飛行環(huán)境沒有其他外界干擾因素，如強風(fēng)、暴雨等，并且忽略空氣阻力影響。

無人機的飛行原理是通過調(diào)節(jié)4個電機旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)。表1為無人機飛行原理對照。

模型建立首先要確立地面坐標(biāo)系（見圖2）與機體坐標(biāo)系（見圖3）。

圖2 地面坐標(biāo)系

圖3 機體坐標(biāo)系

運動分析螺旋槳滿足如下方程：

機體坐標(biāo)系下無人機受到的升力為：

其中，i表示對應(yīng)旋翼編號。

根據(jù)牛頓運動可得無人機的運動數(shù)學(xué)模型：

其中，偏航角為φ，俯仰角為θ，滾轉(zhuǎn)角為φ，螺旋槳推力為T，空氣阻力為F，螺旋槳轉(zhuǎn)矩為M，阻力矩為τ，螺旋槳推力系數(shù)為Kτ，螺旋槳轉(zhuǎn)速為Ω，空氣阻力系數(shù)為Kf，線速度為S，螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)為KM，空氣阻力系數(shù)為Kτ，角速度ξ，機體繞三個軸的轉(zhuǎn)動慣性為Ix、Iy、Iz。

1.4 確定無人機的軟件控制系統(tǒng)

四旋翼無人機由于其獨特的結(jié)構(gòu)布局以及復(fù)雜的飛行控制特性，給軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計工作帶來了一定的難度，目前國際上已經(jīng)存在的幾種控制方案都各有千秋，需要針對具體情況來做出抉擇。

當(dāng)今四旋翼飛行控制技術(shù)可分成經(jīng)典PID控制、線性控制、非線性控制、智能控制以及其他控制。表2為無人機飛行控制技術(shù)比較。

在飛行器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于擴展卡爾曼濾波器得到的位姿與速度估計，應(yīng)用控制器使飛行器轉(zhuǎn)向全球坐標(biāo)下的目標(biāo)位姿，根據(jù)實驗效果調(diào)整控制器的參數(shù)，使其滿足自主飛行的要求。

首先，針對四旋翼系統(tǒng)存在模型不確定性和外界擾動的問題，本次研究可采用竇景欣[3]等人設(shè)計的姿態(tài)控制器，其控制效果相比于經(jīng)典的自抗擾控制器，具有更好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

然后，針對四旋翼控制系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)的航向通道控制器積分飽和的問題，可以參考章志誠變速積分的方法，來改進本次研究中的自抗擾控制器，從而實現(xiàn)對四旋翼飛行器航向通道的穩(wěn)定控制[4]。

表1 無人機飛行原理對照

表2 無人機飛行控制技術(shù)比較

2 無人機通信技術(shù)探究

2.1 GPS/GLONESS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)的確定

目前，全球定位系統(tǒng)GPS、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONESS、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今最為廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航系統(tǒng)。表3為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS（Global Navigation Satellite System）與全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）極其相似，都可以在全球范圍內(nèi)對各個地方的氣候情況進行監(jiān)測，24 h連續(xù)工作，并且可以提供三維空間的數(shù)據(jù)信息以及時間情況。二者還可以兼容使用，提供更好的精度幾何因子，進一步提高定位精度[5]。表4為GLONASS與GPS的各參數(shù)比較。

目前，大多數(shù)無人機僅僅采用GPS提供的數(shù)據(jù)來確定其自身位置與返航，用光流模塊來實現(xiàn)無人機的定位，這些傳感器本身感應(yīng)距離有限，對外界環(huán)境要求高，沒能達(dá)到理想的效果，故本次研究采用雙模定位系統(tǒng)。它能夠提供更加精確的位置信息，融合兩種定位系統(tǒng)提供的位置信息。同時，該系統(tǒng)能夠精確實現(xiàn)自主導(dǎo)航，按地圖選擇點軌跡飛行，減少操作人員工作量且實現(xiàn)低功耗、低重量、低成本，定位返航更加精準(zhǔn)。

2.2 4G通信系統(tǒng)的確定

在不同的無人機應(yīng)用場景中，無人機控制通信系統(tǒng)會采取不同的通信技術(shù)，按照通信的距離和要求，主要分為3種：Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)及基于云端的技術(shù)。表5是對3種通信技術(shù)的比較。

傳統(tǒng)無人機依靠2.4 GHz/5.8 GHz頻段Wi-Fi進行圖傳，如果無人機與地面站控制距離較遠(yuǎn)，圖傳會出現(xiàn)卡頓與延時，不利于地面控制人員進行空中作業(yè)。由于目前智能手機已經(jīng)相當(dāng)普及，項目可以選擇智能手機作為操縱、監(jiān)視的終端設(shè)備，并通過4G網(wǎng)絡(luò)連接，控制無人航拍飛行器，可以提供實時畫面至手機端。

表3 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較

表4 GLONASS與GPS的各參數(shù)比較

表5 3種通信方案

故本次研究采用4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進行無人機的圖傳工作，利用4G網(wǎng)絡(luò)進行圖傳，使得圖傳不受距離限制，實現(xiàn)流暢圖傳。當(dāng)無人機遠(yuǎn)距離執(zhí)行任務(wù)時，可以提供蜂窩技術(shù)，延長無人機與地面控制器的傳輸距離[6]。當(dāng)然，如果對于更遠(yuǎn)的通信范圍，無人機甚至可以通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行中繼傳輸。

3 各項精度指標(biāo)的確定

無人機通信技術(shù)系統(tǒng)的確立，不僅需要理論支撐，還需要大量的實踐證明，通過實驗調(diào)試，檢測出尺度估計精度、狀態(tài)預(yù)測精度、位置控制精度與里程計漂移的控制限度以及追蹤目標(biāo)物體的穩(wěn)定性等，從而不斷完善通信技術(shù)的功能。

4 結(jié) 論

無人機通信系統(tǒng)的確立十分繁瑣，首先需要根據(jù)實際需求確定模型，并選取合適的控制系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，然后通過不斷地實際驗證，才能得到各項參數(shù)值，最后運用科學(xué)的方法以及合理的分析，從而建立完整的通信系統(tǒng)，使其可以在更多的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。本文的研究基于模型的建立，其中還存在一些問題和不足，有待進一步改進與完善。