四旋翼飛行器航跡控制原理與操控

魏鉑淞　張啟瑞

摘 要 四旋翼飛行器已成為發(fā)展和應(yīng)用最為廣泛的一類商用娛樂型飛行器，正確掌握四旋翼飛行器航跡控制與操控的關(guān)系，對(duì)于飛行安全非常重要。為此，本文在闡釋四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，用圖示方式給出了四旋翼飛行器的航跡控制流程，進(jìn)而提出了保證安全飛行的操控要求。

關(guān)鍵詞 四旋翼飛行器 自動(dòng)飛行 航跡控制

0引言

四旋翼飛行器是一種有著四個(gè)旋翼的無人飛行器，也被稱作四旋翼無人機(jī)、空中機(jī)器人等。由于這種無人飛行器具有操控靈活、價(jià)格低廉、用途廣闊等特點(diǎn)，正在受到越來越多的人們的喜愛和重視。近年來，四旋翼飛行器已在城市商業(yè)、服務(wù)、防災(zāi)救援等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，諸如中國大疆、美國谷歌等許多世界著名科技公司都開始將四旋翼飛行器作為主流發(fā)展產(chǎn)品。

四旋翼飛行器是一種無人飛行器，要確保其安全飛行和完成任務(wù)，不僅需要有地面操控人員的準(zhǔn)確操作，還要有飛行器自身機(jī)載的飛行控制系統(tǒng)。地面操作人員可以通過遙控器對(duì)飛行器發(fā)出飛行指令，控制飛行器改變或調(diào)整飛行姿態(tài)。機(jī)載飛行控制系統(tǒng)則可以根據(jù)地面操作手給出的飛行指令，自動(dòng)控制飛行器的姿態(tài)和航跡，確保飛行器的安全飛行。或是根據(jù)事先設(shè)定好的任務(wù)規(guī)劃程序，自主控制飛行器完成期望的飛行任務(wù)。

對(duì)于四旋翼飛行器的飛行安全來說，需要設(shè)計(jì)和操作人員必須正確掌握四旋翼飛行器航跡控制與操控的關(guān)系。為此，本文將分析四旋翼飛行器的航跡控制原理，對(duì)相應(yīng)的操控問題等進(jìn)行討論。

1四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)原理

四旋翼飛行器不同于傳統(tǒng)形式的配有主螺旋槳和尾槳的直升機(jī)，它有四個(gè)相同形式的小螺旋槳，或稱旋翼，如圖1所示。這四個(gè)旋翼分別由4個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。四旋翼飛行器基本的飛行原理是，通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變相應(yīng)的旋翼所產(chǎn)生的升力和扭矩，從而使飛行器整體的升力大小和方向發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到控制四旋翼飛行器姿態(tài)、改變航跡的目的。對(duì)于四旋翼飛行器來說，4個(gè)旋翼的不同組合，可以構(gòu)成飛行器的六種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、懸停、前進(jìn)和側(cè)移。具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)4個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速等量增大或減小時(shí)，將使飛行器獲得整體上升或下降的力，產(chǎn)生向上下降運(yùn)動(dòng)；增大或減小1#旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減少或增大對(duì)應(yīng)的3#旋翼的轉(zhuǎn)速，將導(dǎo)致飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)；增大或減小2#旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減少或增大4#旋翼的轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；等量增加或減少1#和3#旋翼的轉(zhuǎn)速，同時(shí)等量減少或增大2#和4#旋翼的轉(zhuǎn)速，則產(chǎn)生偏航運(yùn)動(dòng)。

2飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

四旋翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相似，但需要擴(kuò)展無線通訊接口，用于接收地面操控人員發(fā)出的控制指令，同時(shí)將飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)和機(jī)載照相機(jī)等獲得的圖像傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)。

在飛控系統(tǒng)的構(gòu)成中，慣性測(cè)量單元用于感知飛行器平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，獲得飛行器的空間姿態(tài)和位置。通常，IMU包括陀螺儀和加速度計(jì)兩類傳感器，陀螺儀用于測(cè)量飛行器繞俯仰、傾斜和航向軸的旋轉(zhuǎn)角速度，得到三個(gè)姿態(tài)角；加速度計(jì)用于測(cè)量飛行器在三個(gè)方向上的飛行加速度，得到飛行器的速度和位移。數(shù)字羅盤也是用于測(cè)量四旋翼飛行器姿態(tài)的傳感器，可以作為慣性測(cè)量單元IMU的備份和補(bǔ)充。高度計(jì)用于測(cè)量飛行器的高度，與IMU的測(cè)量數(shù)據(jù)配合，可以得到飛行器的空間位置。GPS接收機(jī)用于接收GPS信號(hào)，進(jìn)而也可獲得飛行器的速度、位置等信息。通過GPS與IMU的組合，可以獲得高精度的導(dǎo)航信息。主控制器用于解算控制律，獲得對(duì)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)的控制。

從功能上可以將飛控系統(tǒng)劃分為俯仰角控制通道、滾轉(zhuǎn)角控制通道、偏航角控制通道和高度控制通道，分別對(duì)應(yīng)飛行器的姿態(tài)和高度的穩(wěn)定與控制。以俯仰角控制為例，主控制器根據(jù)傳感器測(cè)量得到的俯仰角和俯仰角速度信號(hào)，按照設(shè)定的俯仰角控制律計(jì)算得到實(shí)時(shí)的控制量，并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)四個(gè)電機(jī)的PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)按照期望的方式旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰角的穩(wěn)定控制。在姿態(tài)控制基礎(chǔ)上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器航跡的穩(wěn)定與控制。

3飛行器航跡控制方法與操控

飛行器的航跡控制包括高度控制和航路點(diǎn)控制。高度控制是在俯仰控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，俯仰控制是內(nèi)回路，高度控制是外回路。在俯仰姿態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，再通過期望高度與實(shí)際高度的差值形成高度控制信號(hào)，作為俯仰通道的控制輸入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的穩(wěn)定與控制。

航路點(diǎn)控制必須與航路規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行信息交聯(lián)。航路規(guī)劃數(shù)據(jù)給出飛行器要到達(dá)的下一個(gè)航點(diǎn)，飛控系統(tǒng)的主控制器根據(jù)航點(diǎn)的經(jīng)緯度、高度等信息，解算出飛行器的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)變化指令。該指令作為飛控系統(tǒng)各個(gè)功能通道的輸入信號(hào)，使各通道按照期望的要求進(jìn)行控制，從而確保飛行器到達(dá)設(shè)定的航路點(diǎn)。航路點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過航路規(guī)劃程序得到的，它是一系列數(shù)組，每個(gè)數(shù)組包括一組描述空間點(diǎn)位置的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)，以及描述飛行器在該點(diǎn)任務(wù)行為的數(shù)據(jù)。

為了保證四旋翼飛行器能夠按照期望的航線飛行，還需要飛行前進(jìn)行充分的航路規(guī)劃，飛行中實(shí)施正確的操控。完整的四旋翼飛行器是一套系統(tǒng)，除了帶有飛控系統(tǒng)的飛行器外，還包括遙控器、數(shù)傳系統(tǒng)和地面控制站。在飛行前，首先要根據(jù)任務(wù)要求在地面控制站完成航路規(guī)劃，并將航路數(shù)據(jù)輸入到飛控系統(tǒng)中。所謂航路規(guī)劃就是利用航路規(guī)劃程序，為飛行器確定出若干組從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的、滿足必要約束的安全航路。航路規(guī)劃程序是一個(gè)安裝于地面控制站中的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，包括數(shù)字地圖、航路規(guī)劃算法、地理信息系統(tǒng)等要素。航路規(guī)劃程序的輸出就是一系列的航路點(diǎn)數(shù)據(jù)。這些航路點(diǎn)數(shù)據(jù)被事先輸入到飛行控制系統(tǒng)的專門模塊中。在自動(dòng)飛行過程中，飛控系統(tǒng)的通過讀取這些數(shù)據(jù)來認(rèn)知飛行航向和任務(wù)要求，保證飛行器按照期望的航跡飛行。另外，在飛行過程中，盡管飛行器可以按照預(yù)定的航路點(diǎn)自動(dòng)飛行，但地面操控員要實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行器的飛行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)狀態(tài)，如遇到突然出現(xiàn)的障礙物時(shí)，必須能夠盡快切換到手動(dòng)控制，用遙控器操控飛行器迅速脫離危險(xiǎn)。圖3示意了四旋翼飛行器的組成與航跡控制信息流。

4 結(jié)語

低成本高精度的自動(dòng)飛行控制技術(shù)是小型四旋翼飛行器迅猛發(fā)展的重要技術(shù)保障。對(duì)于市場(chǎng)上各種類型的、大大小小的商業(yè)化四旋翼飛行器，既可以自主開發(fā)適合自身需要的飛行控制系統(tǒng)，也可以直接利用商用飛控產(chǎn)品進(jìn)行部分參數(shù)調(diào)整。本文在闡釋四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，給出了飛行器的航跡控制流程，提出了保證安全飛行的操控方法。但對(duì)于四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的開發(fā)和飛行操控來說，必須進(jìn)行大量的實(shí)踐，才可以更好地理解這些原理和要求。

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