帶懸掛負載的多旋翼無人機負載控制方案

張吉廷 熊智辰

（1、江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京211170 2、招商局南京油運股份有限公司，江蘇 南京210003）

與現有的固定翼無人機相比，多旋翼無人機體積較小、機動性較強，可以實現定點懸停與垂直起落，憑借自身的技術優勢，多旋翼無人機逐步成為高效的作業平臺，有效滿足應急救災、地質勘察等的相關要求。但是受制于其負載能力，多旋翼無人機在使用過程中，會出現搖擺不穩定的情況，影響最終的使用效果，為增強多旋翼無人機的穩定性，需要通過建立模型等技術手段，打造出成熟的帶懸掛機制，在實現多旋翼無人機受力分析的同時，形成對控制器的動力補償，形成動態化的多旋翼無人機的控制機制。

1 多旋翼無人機概述

對多旋翼無人機的技術構成與優勢的分析，引導技術人員形成全面、系統的認知，逐步把握帶懸掛組件的使用環境與技術要求，為后續建模活動的開展，控制方案的優化提供了方向性引導。

多旋翼無人機作為新型設備，機械結構較為簡單，設備安裝、維護難度較低，可以實現垂直起降，這種技術特點與設備優勢，使得多旋翼無人機逐步成為主流的無人機技術方案。近些年來多旋翼無人機技術體系日益成熟，出現了四旋翼、六旋翼、八旋翼等多種形態的無人機，與傳統的固定翼無人機相比，多旋翼無人機在開展貨物運輸、地質勘察的過程中，不需要過多考慮無人機的裝載容積以及裝載物的形狀，因此有著較強的實用性，更好地滿足了多場景下的使用需求[1]。但是必須清楚地認識到，這種運輸與負載特點，使得多旋翼無人機進行吊掛飛行環節，極易出現負載擺動的問題，影響了飛行的穩定性，從而在很大程度，限制了多旋翼無人機使用場景。為改善這種局面，強化多旋翼無人機的飛行能力，避免無人機負載擺動的發生，需要對現有的多旋翼無人機技術方案作出必要的調整，通過相關技術手段，有效解決擺動問題，增強無人機設備的可控性。

2 帶懸掛多旋翼無人負載分析

多旋翼無人機帶懸掛組件的合理化構建，需要依托現有的技術手段，通過必要的建模處理，組建起多旋翼無人機的力學模型，實現對負載的合理分配，增強了穩定控制的可行性與有效性。

2.1 帶懸掛多旋翼無人機力學模型分析

為持續提升多旋翼無人機帶懸掛配套設施的運行效能，提升結構穩定性，避免多旋翼無人機帶懸掛設計、實現環節存在漏洞，增強帶懸掛多旋翼無人機負載分布的科學性。需要積極做好帶懸掛多旋翼無人機力學分析，構建起完善的力學模型，旨在推動多懸掛組件設計思路的科學梳理[2]。具體來看，在帶懸掛多旋翼無人機建模之前，為更加準確地描述運動狀態，應當做好坐標系創建，例如工作人員需要做好坐標系的選擇與坐標系的轉換，通過這種舉措，將整個多旋翼無人機在各個階段的運行狀態以點、線的方式呈現出來，將抽象的研究實現具象化。例如需要根據相關要求，確定地面坐標系、機體坐標系、懸掛點坐標系等，依托坐標系的建立，使得帶懸掛多旋翼無人機各個模塊，能夠以最為直接的方式體現，消除了環境因素對于整個研究活動的影響[3]。以機體坐標系為例，通過對坐標系的選取，實現了多旋翼無人機模塊組件之間相互關系的確立，如圖1 所示：

圖1 多旋翼無人機空間坐標分布情況

在完成多旋翼無人機空間坐標系的創建工作之后，研發人員需要做好帶懸掛模塊的運動特性分析等方面的工作，通過運動特性分析，全面掌握多旋翼無人機帶懸掛模塊的基本情況，為后續建模工作的開展奠定堅實基礎。考慮到整個多旋翼無人機結構復雜，在運動學特性分析環節，為簡化研究、分析流程，降低研究難度，可以將機體運動作為主狀態，并以此為基礎，進行運動模型的構建。懸掛模塊運動特性的分析，則著眼于這一實際，將運動過程中，歸結為自由度剛體運動以及懸掛點的角運動。這種運動特性的分析，可以較好地評估多旋翼懸掛模塊的穩定狀態，同時多旋翼無人機在飛行過程中，會出現較多的飛行狀態，作出不同的飛行動作，基于這種實際，在進行多旋翼無人機懸掛模塊運動特性分析環節，只考量勻速運動以及懸停狀態下的飛行情況。在整個運動特性研究環節，需要明確掌握分析要點，避免運動特性分析出現誤區，影響工作成效。具體來看，多旋翼無人機、懸掛模塊應當視為剛體，將懸掛模塊作為質點，建立起與多旋翼無人機之間的聯系。懸掛模塊在運動過程中，懸掛繩索可以忽略自身質量以及繩索承受的氣動力，通過對上述注意實現的明確，減少了多旋翼無人機懸掛模塊運動分析的難度，增強了運動特性分析的有效性。在理順研究思路的基礎上，初步實現了對多旋翼無人機懸掛模塊運動狀態的評估與分析。多旋翼無人機在運動過程中，受到懸掛負載的作用，產生了阻力、阻力矩，對多旋翼無人機懸掛模塊的受力情況形成了全方位的認知，為后續負載模型設計、建設奠定了堅實基礎。

2.2 多旋翼無人機懸掛負載模型建設

多旋翼無人機懸掛負載模型環節，需要從平動方程、轉動方程等角度出發，完成數據動力學的分析與探討。以平動方程為例，在本次研究過程中，借助于F=maB，其中F 為多旋翼無人機受到的外部合力，aB表示懸掛模塊支點的絕對的加速度情況，研發人員可以將整個多旋翼無人機勻速運動過程中，所受阻力進行了科學計算。多旋翼無人機懸掛組件，在轉動過程中，需要滿足動量矩定理的相關要求，按照JwB+wBxJwB=M的公式要求，公式中J 表示多旋翼無人機轉動慣量矩陣，wB表示無人機機身的速度，借助這種處理方式，引導研究人員對多旋翼無人機合力矩形成正確的認知。平動方程、合力矩的計算，使得研究人員，可以有效評估多旋翼無人機懸掛模式的穩定性，準確掌握懸掛模塊的運行狀態，為后續控制組件的設計、穩定系統的實現提供了必要的數據參考，避免了整個穩定性控制模塊設置的盲目性[4]。從過往經驗來看，通過對多旋翼懸掛負載模塊力學特征的分析，逐步準確把握各類數據，便于研發人員開展相應的設計工作，對懸掛模塊作出適當的調整，使其受力更為均衡，更好地滿足現階段多旋翼無人機的使用需求。

2.3 多旋翼無人機平臺建設方案

在帶懸掛多旋翼無人機創設過程中，為保證受力的穩定性，實現阻力的合理控制，需要采用中心對稱的分布方案，使得整個多旋翼無人機懸掛模塊可以貼合實際的使用需求，增強負載搖擺問題的應對能力。在這一思路的指導下，技術人員在飛控板中，設置數字信號處理器、現場編輯門陣等相關架構，在這種運行架構之下，DSP 可以有效完成組合導航以及飛行控制相關算法的結算，FPGA 模塊，則可以實現數據接口的拓展，實現了多旋翼無人機遙控裝置、GPS、數據記錄儀的有效聯動，實現了內部數據的互聯互通，對于勻速分析以及定點懸停過程中，無人機建設懸掛模塊穩定性的提升有著極大的促進作用。同時在多旋翼無人機平臺建設的框架下，研發人員可以有序推進無人機控制機制的完善，實現懸掛模塊穩定性與可操控性的合理兼顧。

3 帶懸掛多旋翼無人機負載控制機制創建路徑

帶懸掛多旋翼無人機控制機制的完善，要求技術人員以帶懸掛建模作為基礎，通過針對性地做好無人機控制硬件、軟件系統的創建工作，不斷強化帶懸掛多旋翼無人機的控制成效，確保飛行的穩定性，最大程度地避免搖擺情況的發生，為各項任務的順利完成營造良好的外部條件。

3.1 帶懸掛多旋翼無人機控制機制創建原則

著眼于帶懸掛多旋翼無人機的動力學特性，為提升飛行過程中，操作人員對于飛行狀態的控制能力，減少懸掛負載搖擺等情況的發生，需要認真做好控制機制的的創建工作。考慮到整個控制機制涉及到的元件模塊較為多元，因此需要研發人員遵循科學性原則、實用性原則，立足于帶懸掛多旋翼無人機的飛行特點，通過系統化的建模操作，科學分析、準確評估帶懸掛多旋翼無人機的飛行狀態以及力學特性，在此基礎上，有目的、有指向的進行控制機制策略的制定與執行，以此來保證控制機制能夠很好地適應不同場景下帶懸掛多旋翼無人機的操作要求，避免控制技術的濫用或者缺失[5]。為降低操作難度，管控投入成本，在控制機制創建環節，需要認真做好無人機控制機制實用性的評估，確保控制機制符合正常的操作邏輯，避免對用戶操作產生妨礙，造成多旋翼無人機可控性的下降，影響后續的使用。

3.2 認真做好仿真平臺的搭建

為增強帶懸掛多旋翼無人機飛行的穩定性，需要認真做好仿真平臺的創建，以仿真平臺作為前提，對多旋翼無人機在懸掛負載飛行中可能出現的各類情況進行模擬，并根據模擬結果，制定相應的操作方案，增強負載飛行的穩定性，避免搖擺問題的發生。在這一思路的指導下，研究人員可以通過Matlab 中的Simulink 組件，進行帶懸掛多旋翼無人機的仿真環境模擬，并形成完善的動態建模、仿真分析以及綜合應用的平臺機制，如圖2 所示：

圖2 帶懸掛多旋翼無人機的仿真平分析

依托于仿真平臺的建設，實現了對帶懸掛多旋翼無人機運行機理的全面評估與有效分析，在這一仿真平臺下，多旋翼無人機具備較強的學習能力，可以根據環境要素、負載情況，靈活調整運輸方案，并將相關指令及時反饋給操作人員，操作人員根據提示，開展相關操作。

3.3 帶懸掛多旋翼無人機的線性優化

從過往經驗來看，帶懸掛多旋翼無人機進行線性優化，可以提升多旋翼無人機運行的平穩性，確保其在懸停狀態的抗搖擺能力，更好地適應不同場景下的使用需求。在帶懸掛多旋翼無人機線性優化環節，研發人員需要依據建模分析結果，掌握多旋翼無人機懸停狀態下的穩定工作點，明確橫滾角、仰俯角等數據的相關情況，并對相關數據進行配平處理。由于配平過程中涉及到大量的數據，計算難度較高，計算誤差較大，因此可以通過Simulink 軟件中的ControlDesign 模塊，在短時間內完成配平處理，為線性優化提供了參考與借鑒。例如在帶懸掛多旋翼無人機進行地質勘查的過程中，通過追加GIS 模塊，實現了對地質數據的有效讀取與精準分析。

結束語

多旋翼無人機作為一種成熟的飛行平臺，其承擔著搶險救災、地質勘察等多項任務。考慮到多旋翼無人機的使用場景與操作要求，需要結合實際，對已有的穩定機制作出相應的調整，實現多旋翼無人機穩定性的逐步提升，以強化多旋翼無人機的定點懸停能力，為各項任務的推進與完成，提供良好的技術支撐。