無人機及其自動控制原理概述

任力諾

摘 要 無人機的發展已經有了幾十年的歷史，隨著近幾年來的科技發展，無人機技術日漸成熟，也更加受到了人們的重視，無論在軍事上還是民用領域中都得到了廣泛的應用。目前最常見的是四旋翼無人機，它結構簡單，使用方便，通過對四個旋翼轉速的調節，就可以實現平動、垂直起降以及俯仰、滾轉、偏航等復雜的運動形式，通過自身的導航系統保證飛行路徑的可控性，可借助通訊系統與地面控制人員進行交互以實時監測無人機的飛行狀態。無人機的控制策略有很多，使用最廣泛的仍然是PID控制策略，雖然比較簡單，但基本能夠勝任常規的工作。相信隨著無人機技術的進步，其應用領域會更加寬廣。

關鍵詞 無人機；飛行器控制；PID控制

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）220-0146-03

所謂無人機，就是一種不需要人在駕駛艙駕駛，可以利用無線通訊方式遠程操縱或者通過設定好的控制器實現自動控制的無人飛行器。無人機其自身具有成本低，性價比高等優點，而且由于不需要人進行實地操縱，適用于在各種復雜而危險的環境中使用，因此一直得到全世界的重視。尤其是在當下，信息化和智能化蓬勃發展，無人機能夠很好地和這些相關技術相結合，從而大大提高其效能。在國際競爭中，無人機技術的發達程度也成為了一項相當重要的衡量標準。舉例來說，美國具有領先世界的捕食者、全球鷹等先進的無人機，遙遙領先于世界。我們可以看到，無人機在近年來的現代戰爭中已經廣泛應用于實戰，而且在民用領域也有很大的發展空間。

1 無人機的發展歷程

不要以為無人機的發展是近一二十年來的事情，其實無人機出現得相當早，一開始的出現是出于軍事上的考慮。早在二戰時期，為了減少不必要的人員傷亡，無人機就肩負起靶機的使命，用于演習等訓練場合[ 1 ]。無人機首次參與實戰是在1982年以色列主導的加利利和平行動[2]中，這是無人機首次承擔真正意義上的戰斗任務。當然那個時候的無人機還不是作為戰場上殺敵的武器，由于技術還不是那么先進，所以只是完成了一些偵查、跟蹤、通訊等輔助工作，取得了很好的效果。在那個時候，大部分無人機其實和我們在超市里經常見到的遙控飛機比較類似，結構比較簡單，因此功能也相對有限。但是從減少人員傷亡和在戰場中更廣泛地應用先進技術的趨勢來看，無人機從那時起就得到了廣泛的關注，各國軍方開始考慮將一些已經退役或者淘汰下來的飛機改裝成無人機用于實戰以提高軍事裝備的使用效能。因此在20世紀末期的海灣戰爭和科索沃戰爭中得到了一定程度的應用。

正是從20世紀90年代開始，無人機的應用領域越來越寬廣，得到了全世界更多地關注[3]，隨著新科技革命、互聯網時代的到來，信息技術也逐漸應用到無人機上，從而拓寬了無人機的應用范圍。從那時起，無人機的可靠性也大大提升，不只是受人遠程遙控，也能夠根據預先設定好的程序主動地執行一些簡單的任務。這些都依賴于圖像處理技術以及實時通訊技術的逐步完善和優化。當然，材料科學的發展對無人機的設計方面也起到了至關重要的作用，輕型材料不斷出現有助于無人機的輕量化與小型化。機械設計的發展也帶來了新翼型的出現，能夠大大減小飛行時的阻力。有了這些新技術的助力，無人機的發展越來越迅猛。

時間進入21世紀，隨著無人機自動化程度的不斷提高，今天無人機在軍事方面的應用也更加廣泛，美國人制造的捕食者無人機[4]就用于精確打擊恐怖分子，在自然災害的救援上也得到了使用。而且隨著科技的進步，成本的降低，無人機的門檻也越來越低，民用領域也逐漸火熱起來，現在已經廣泛用于攝像、演出等場合。不過由于空域受限，民用領域的發展也受到了一定的束縛。

經過了將近一個世紀的發展，無人機技術已經日臻成熟，之后的應用也會越來越多。

2 無人機的主要結構層次

2.1 無人機的系統結構

從系統組成來看，主要分為以下幾部分：飛行控制系統、通訊系統、導航系統和無人機機械結構本體。有的時候還需要有地面基站[5]，主要用于需要對無人機行為進行人為實時監測的場合中。

飛行控制系統與導航系統相配合，用于實現對飛行器的自動化控制。導航系統主要由各種傳感器組成，用于監測無人機的方位信息，判斷在目標路徑中所處的位置，將信息反饋給飛行控制系統和實時監測人員。傳感器括陀螺儀，GPS定位傳感器等其他與所要實現功能相關的傳感器。飛行控制系統根據導航系統所搜集到的信息對無人機的飛行姿態進行調整，從而按照事先所規劃的路徑進行移動，以及實現拍攝、編隊、投遞等其他功能。

地面基站用于對無人機采集到的各種信息進行進一步分析處理，對于飛行控制器無法實現的功能也可以借助通訊系統進行遠程遙控指揮，同時也可以對控制器進行調整，從而提高飛行器的適應性。

無人機的機載通訊系統用于與地面基站的交互，以及與其他無人機保持聯系，因此保持信道的穩定性相當重要。無人機的故障很多都是由于通訊系統失靈而導致的，即便是控制器失靈，仍然可以通過人工操作使其返航。而通訊系統失靈就相當于切斷了無人機與外界的聯系，不過如果自動控制功能足夠強大的話，無人機仍有可能在通訊系統失靈的狀態下完成承擔的任務。

2.2 無人機的機械結構

不同無人機具有不同的機械結構，早期的無人機很多是由飛機加裝飛行控制器直接改裝而來，因此其氣動結構與普通飛機基本相同，這里不做過多的討論。目前市面上廣泛應用的是四旋翼無人機，我們就以四旋翼無人機為例介紹無人機本體的結構特點及其飛行原理。

四旋翼無人機的簡圖如圖1所示，主要由4個旋翼、懸架以及電子器件組成，電子器件和懸架位于無人機的中心位置，4個旋翼分列于四角，由電機帶動葉片旋轉，電機由控制器控制。通過改變無人機各旋翼的轉速，可以調整無人機的運動狀態，實現平動、垂直運動、俯仰、滾轉、偏航等多種運動模態。電機的電能來源于安裝于中心位置的電源，小型四旋翼無人機的續航能力往往在十幾分鐘或半個小時之間不等，而大型四旋翼無人機可以續航幾個小時。懸架上往往放置有實現目標功能的設備，比如照相機、機械臂等。如何在不同的飛行狀態下保持懸架的穩定性也是目前一個比較熱門的課題。電子器件主要包括控制電路和傳感器，基本都是以集成電路的形式，大大減小了所占空間，同時降低了無人機的負載質量。

下面我們結合示意圖來講解四旋翼無人機的飛行原理。考慮到質量分布情況，旋翼的質量很輕，主要的重量都集中在懸架上，因此可認為無人機的質心位于中心位置[6]。

由對稱性可知，若想讓無人機保持平衡，需要對角線上的兩個旋翼轉向保持一致，并與另一對角線上的旋翼轉向相反，從而使兩個方向的轉向力矩相互抵消，這樣就可以實現無人機在空中的懸停。如果僅要完成豎直方向上的運動，則在平衡的基礎上調整旋翼的轉速即可實現。當將四個旋翼的轉速同時增大時，就可以提供更大的升力，推動無人機向上運動。反之，整體減小四個旋翼的轉速就可以迫使無人機豎直向下運動。

對于俯仰運動，可以通過以下的方式：保持M1、M3的轉速不變，減小M4的轉速，提高M2的轉速（或相反）。這樣可以增加后部的升力降低前部的升力從而產生前后方向的翻轉力矩，實現俯仰運動。類似地，保持M2、M4的轉速不變，減小M1的轉速，提高M3的轉速（或相反），產生滾轉力矩，實現滾轉運動。

前述的俯仰和滾轉運動是通過對角線分組來實現的，對于偏航運動，考慮到旋轉軸的變化，應該將分組調整為M1、M2一組，M3、M4一組，同樣保持組內速度協調一致，而產生組間的轉速差，就可以產生偏航力矩。

當無人機進行轉向運動時，往往需要這幾個運動互相組合疊加，因此旋翼的工況會比較復雜，具體的轉速大小及方向與實際需求相關，這里不再贅述了。

3 無人機的控制器設計

對于一般的自動控制系統，往往遵循圖2的控制流程。這是一個反饋控制系統模型，給定的輸入信號與通過檢驗裝置得到的被控量輸出信號通過比較輸入控制器，由控制器控制執行器完成相應的動作，從而使被控對象的被控量輸出按照給定的輸入量變化。這種反饋機制用于提高系統的穩定性，防止外界的干擾因素對被控對象造成過大的影響。無人機作為一種受外界因素影響較大的自動控制系統也不例外，同樣需要相應的反饋環節，因此其控制框圖也可以歸納成這樣的形式。

在目前的自動控制系統中，使用最為成熟，應用最為廣泛的控制策略就是PID控制，其原理框圖如圖3所示，由比例（P）、積分（I）、微分（D）三部分組成。

比例環節與系統的快速性有關，用于調整控制器的增益，即對輸入的誤差信號進行放大。積分環節用于調整系統的穩態誤差，提高輸出的精度。微分環節用于削弱系統的振蕩，如果系統存在正方向振蕩，只需要添加負值的微分環節即可。對于一般的較為穩定的系統而言，這一環節經?？梢员皇÷浴ID控制策略的主要優勢在于不需要對被控對象進行精確的建模，通過比較輸出特性就可以確定控制器的參數，就能夠達到一般的使用要求。

四旋翼無人機系統是一種非線性的系統，由前述的運動原理分析可知，對于復雜的運動狀態，系統的各個物理量之間存在著耦合。也就是說，改變一個物理量的參數就有可能對其他參數產生較大的影響，因此提高了控制的難度。不過從實際應用的角度出發，大量實際使用的無人機都采用PID的控制策略，這樣在一定程度上就避免了上述由于復雜數學模型帶來的不良影響。

在無人機的控制上，我們一般將控制器分成兩個部分：位置控制器和姿態控制器。位置控制器是整個控制器的外環部分，通過對方位的確定來保證無人機按照預定的軌跡航行。位置控制器的輸出量作為姿態控制器的輸入量，也就是說，姿態控制器按照位置控制器的輸出量來調整無人機的姿態從而適應當前位置所應進行的運動，以使無人機的運動始終是為了與目標路徑相一致。這樣的控制器結構分配有助于對信號進行分級處理，將方位信號轉化成無人機運動的直接控制信號，有效地對無人機的飛行狀態進行適當的調整。

姿態控制器的控制結構圖如圖4所示，同樣采用的是內外環的結構，通過調整和分配無人機各個旋翼的轉速，進而調整俯仰角、滾轉角和偏航角的大小?；静捎玫倪€是前述的PID控制策略，根據所要完成的飛行任務來確定控制器參數。

4 結論與展望

無人機經過多年的發展，已經具有了非常明顯的優勢，能夠在民用和軍用等多種場合得到廣泛運用，相信之后的應用領域也會更加寬廣。隨著新材料、新技術的逐漸出現，無人機的結構設計也會相應地進行調整與進步，從而提升工作載荷并實現更多的功能。無人機的控制策略不只有PID一種，還有其他一些更加智能的控制策略，隨著智能化的發展還會得到進一步的研究。相信不久的將來，無人機技術會更加深入我們的生活，為我們的生活增光添彩。

參考文獻

[1]鄒湘伏，何清華，賀繼林.無人機發展現狀及相關技術[J].飛航導彈，2006（10）：9-14.

[2]陶于金，李沛峰.無人機系統發展與關鍵技術綜述[J].航空制造技術，2014（20）：34-39.

[3]淳于江民，張珩.無人機的發展現狀與展望[J].飛航導彈，2005（2）：23-27.

[4]盧俊文，王倩營.無人機演變與發展研究綜述[J].飛航導彈，2017（11）：45-48，68.

[5]張睿.小型無人機結構與控制[J].電子技術與軟件工程，2017（1）：133-134.

[6]趙少雄.無人機自主飛行控制系統設計[D].太原：中北大學，2017.