小型无人机结构与控制

【前言】小型无人机结构与控制由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 小型无人机结构组成 四旋翼无人机系y由三部分组成：负责计算控制信号的地面控制站，负责通信的机载控制系统和负责得到无人机飞行状态信息的导航系统。 图1（a）给出了四旋翼飞机的地面控制站示意图，地面控制站主要负责实时观测四旋翼无人机的位姿信息，接收得到无...

与人工驾驶的飞机相比，无人驾驶飞机不受人身心极限的限制，可以执行人工驾驶飞机无法实现或很难实现的用途，因此无人机被广泛应用于军事、民用以及商业领域。本文以旋翼式无人机中的小型四旋翼无人机作为探究对象，详细探讨了无人机的系统组成、机械结构与控制器，介绍了核心的PID控制方法原理与应用。通过对小型四旋翼无人机的探索，分析了无人机的优点、特性和适用领域，并对其可能实现的用途进行了展望。

【关键词】无人机 自动控制 PID控制

无人机，即无人驾驶飞机的简称，是一种依靠控制器而不依靠载人驾驶飞行的飞机。与传统载人驾驶飞机相比，无人机具有多种优势，因此被广泛应用于军事与民用领域。在军事方面，无人机具有良好的机动性，极强的隐蔽性，不会造成无人员伤亡等特点，可应用于战场的侦察行动，对战中的实时支持和巡逻，空中情报截获等方面，在最近的几次局部战争中都出色地完成了军事任务。在民用方面，利用无人机飞行时间长、灵活便捷、可以跨地形拍摄等特点，被广泛应用于执行不利于人类执行的任务，可完成在高危环境或山区恶劣环境条件下的任务。比如当前在森林火灾抢险、遥感图像的获取、地理与地形的测量勘探、失踪救援搜救等方面，无人机都得到了充分的利用。

无人机根据不同的机身外形和动力学原理，可以分为固定翼式和旋翼式无人机。固定翼式无人机指的是机翼固定的无人机，在形态上与传统大飞机没有很大差别，主要利用滑行和空气动力进行飞行，利用机翼和尾翼进行姿态调节。由于以商用大飞机为基础的空气动力学已经被研究得十分透彻，因此固定翼无人机在技术上较旋翼式无人机更为成熟。固定翼无人机的优点是飞行速度快、机动效率高、承载载荷大等，缺点是需要较大的起飞着陆场地，使用范围受到了环境的限制。旋翼式无人机采用多旋翼作为飞行动力，并通过调整多个旋翼的旋转方向与力度来调整无人机的速度与姿态。多旋翼无人机采用了直升机的空气动力学原理，因此具有很多直升机的特性，比如垂直起飞降落、定点悬停、侧飞与倒飞等。多旋翼无人机具有非常稳定的飞行姿态，极大程度上降低了对使用环境的要求，具有广泛的应用前景。

本文以小型四旋翼无人机作为探讨对象，针对其系统结构组成、机械结构与控制方法等议题进行了研究，希望进步一发掘其利用途径。

1 小型无人机结构组成

四旋翼无人机系y由三部分组成：负责计算控制信号的地面控制站，负责通信的机载控制系统和负责得到无人机飞行状态信息的导航系统。

图1（a）给出了四旋翼飞机的地面控制站示意图，地面控制站主要负责实时观测四旋翼无人机的位姿信息，接收得到无人机飞行状态信息并及时处理，利用控制器运算得到无人机的控制信号并发送出去。

机载控制系统和导航系统放置在机身上，如图1（b）所示。机载导航系统主要负责测量得到飞行状态数据，这需要利用种传感器，如陀螺仪、气压计等。根据传感器得到的数据可以实时解算出四旋翼无人机的位置、速度、姿态等飞行信息，并将它们传递给地面控制站便于控制站解算控制信号。

与地面控制站的通讯由机载控制系统负责，把来自地面控制站的控制信号转变为电机控制信号发送给电机系统，来实现对旋翼旋转方向和转速的控制。

如图1（b）所示，四旋翼无人机采用的机械结构为四个电机旋翼，四个小型电动机提供动力，采用小型电机的优点在于能源较容易获得，并且对比于其他动力源的发动机更轻便稳定。采用偶数的旋翼可以通过调整对角的相对位置与转速对无人机的姿态进行调整，之所以利用这样的构造方式，是因为四个转速相等的旋翼可以产生相同的电动扭矩，使得非平衡力矩得到抵消。一般的直升机也需要消除非平衡力矩，但是通过尾翼的转动来消除的，显然四旋翼结构能更有效地实现这一目的。在飞行过程中，飞行控制器通过调节四个电机的转速来实现各种飞行姿态：垂直起降可以完成平稳的起降任务，前进后退与左右飞行可以实现基本的巡航功能，前后翻转和左右翻转可以得到高难度的角度以更好地执行拍摄等任务。

从系统构造可以看出，四旋翼无人机具有以下几个重要的特点：

1.1 机动性能较强，适应能力优良，可以在起伏不定的环境下执行任务

与固定翼相比，四旋翼无人机不需要起降跑道，垂直起降的功能保证了其起降区域不受限制，这样极大地节省了空间需求。空中悬停功能可以得到更加稳定的图像效果，这是固定翼无人机无法实现的。

1.2 机械构造紧凑，控制方法简单

同直升机结构相比，由于采用了小型电机， 四旋翼无人机的机械构造更加紧凑。同时，四个螺旋桨的推力可以提供更多的控制维度，比单个螺旋桨产生的推力能更简单地完成各姿态调节。

1.3 噪声较小，隐蔽性强

由四个螺旋桨分担受力，每个电机的功率不需要太大，因此噪声更小。而且由于采用了更小的电机，可以很好地避开热力雷达，从而使得四旋翼无人机具有更好的隐蔽性，因此在战场环境中小型四旋翼无人机能够胜任隐蔽性强的任务。

2 小型无人机控制原理

无人机作为一种无人驾驶的自动化设备，其控制原理可以利用自动控制原理的基本分析框架进行分析。

如图2所示，图2（a）给出了自动控制的基本闭环框图。当今的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量得到被控变量的实际值，并与期望值相比较，控制器可以利用这个偏差对被控对象实时控制，来纠正系统的响应，实现对被控对象的控制与调节。

如前文所述，待执行任务从地面控制站通过机载控制系统发送给无人机，无人机执行后将位置、速度、姿态等飞行信息反馈给地面控制站。这个过程中，地面控制站相当于图2（a）中的控制器，图中执行器是无人机的电机系统，被控对象是四旋翼无人机的旋翼，检测装置是无人机上搭载的各种传感器。

对于四旋翼无人机而言，可选择的控制器很多，研究者也试图将各种复杂的先进控制器施加到无人机控制中。但控制器实现越复杂，对模型准确性的依赖就越强，其实际控制效果反而不如PID控制。因此目前在大多实际无人机控制模块中仍使用PID控制作为其核心算法。

PID控制器指的是比例（P，proportion）、积分（I，integral）、微分（D，differential）控制控制器，虽然结构简单，但它是在工业过程中应用最广泛的一种控制方法。PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成，各个单元有各自的特点与控制领域，比例控制实现基础控制，积分控制消除静差，微分控制可加快系统的动态响应速度。恰是因为PID控制器简单易行，因此可以用于各种应用场景，才在无人机工业得到了大范围的应用。

3 结束语

从上文的介绍可以看出，四旋翼无人机还具有很大的潜在军用以及商用价值有待发掘。四旋翼无人机具有很多独特的构造优点，比如结构简单、使用部件较常规、维护方便、能源获取便捷等，使其制造成本和学习成本相对于其他无人机更为低廉。加之其所具备的行为灵活、隐蔽性强、用途广泛等性能特性，很多之前无人机未涉足的领域现在也逐渐被开发出来，比如电商巨头亚马逊和京东就开始使用无人机进行配送，并且民用拍摄无人机也获得市场认可。综上所述，开展小型四旋翼无人机的理论和技术研究在开展学术理论研究、推动相关产业和技术发展、加强国防建设、创造经济效益等方面都具有重大的意义。

参考文献

[1]文锟.基于计算动词PID控制器的四旋翼无人机控制及地面控制系统设计[D].厦门大学，2013.

[2]聂博文，马宏绪，王剑等.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.DOI：10.3969/j.issn.1671-637X.2007.06.028.

[3]王伟，张晶涛，柴天佑等.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，26（03）：347-355.

作者简介

张睿（1999-），男，现就读于重庆鲁能巴蜀中学校。

作者单位

重庆鲁能巴蜀中学校 重庆市 400025