迷你六軸飛行器的研究

劉 暢，徐銘偉，任建新

（1.華北理工大學電氣工程學院，唐山 063210；2.華北理工大學信息工程學院，唐山 063210）

六旋翼作為一種具有特殊結構的旋轉翼無人飛行器。與固定翼無人機相比，它具有體積小，垂直起降，機動性強，承載能力強，可快速靈活地向各個方向進行操縱的特點。結構簡單，易于控制，可以執行各種特殊和危險的任務。因此，它在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景，如低空偵察，災害現場監測和救援等。

六軸飛行器具有星形結構用于平衡每個電機的功率以獲得上升推力。它可以更靈活地在空中執行各種飛行動作。由于每個轉子在旋轉期間產生旋轉，飛行器使用三對相對轉動的葉片來抵消由葉片旋轉產生的旋轉扭矩。六軸飛行器的轉向通過葉片的加速和減速來實現，其中三個旋轉方向是相同的。使得人們可以更加靈活的控制飛行器。歷史上的飛行器由于機械結構復雜，體積較大，過于笨重較難控制等原因，基本不能商用，如今的飛行器由于微型控制系統的快速發展，小體積輕重量的多軸飛行器得以發展，穩定的多軸飛行器被廣泛的使用和開發。

1 技術主要解決問題

1.1 微型化設計的整機優化問題

如今，多軸飛機正變得越來越小型化。對于多軸飛行器來說，在設計其整體的硬件電路和軟件時要考慮其飛行環境，以及穩定與成本之間的關系，迷你化，便攜化等。這些方面在一定程度上存在矛盾。我們需要結合實際以達到整體的平衡和性能的最優化。因此，多軸飛行器在整機的優化方面上是對新材料，新算法，新結構的一個新挑戰。

1.2 能源與動力系統的效率問題

研發出更輕、更小、容量更大、放電能力更強的電池以及更輕、更小、扭矩更強、轉速更快、耗能更低的電機可以整體提高六軸飛行器的飛行效率。現如今階段，需要選擇更輕，更小，容量相對較大的電池，以及選擇更有效率的電機進行飛行器的組裝。

1.3 模型準確性與控制方法有效性的問題

六軸飛行器在飛行時會受到風力等其他外力的影響。因此，建立一個穩定的數學模型是相對較困難的。而且在飛行過程中，由于不可避免的碰撞等因素，槳葉會發生不同程度的變形，導致拉力與轉速之間的數學模型更難建立。與此同時傳感器的精度、溫漂以及震動給傳感器帶來的影響，使傳感器不能精準的描述出飛行器此時的狀態。這些數學模型的不精準性使得各種算法不容易實現，現如今的算法都是通過精簡的數學模型建立的。以及多信息采集來忽略無用的信息是多軸飛行器發展的必然方向。

滑膜控制，魯棒控制和模糊控制具有強大的處理不確定性和抗干擾性。非線性控制可以實現具有良好跟蹤性能的魯棒控制算法，但對模型具有較高的精度，難以在實際應用中實現。雖然PID控制過于傳統，但它簡單實用，PID控制方法常用于實際飛行；基于知識的控制方法生成較晚，不依賴于特定的模型，但需要大量的專家經驗數據，這些數據正處于快速發展的過程中。

2 總體結構

六軸飛行器具有三對相對的葉片，每對葉片產生的反扭矩將相互抵消，六個軸將處于穩定狀態。線運動是指由于運動方向上的力的機械分解和主體沿力的方向的運動引起的姿態角的變化引起的身體運動。六軸飛行器通過相應的電機控制葉片旋轉的速度，以調整飛機的平移和旋轉，最終完成它的飛行姿態和飛行動作。

運動原理，以升降運動為例。提升運動是六軸飛行器上下運動沿機身的Z軸。飛機的六個葉片開始旋轉（這假設葉片在機身上僅具有z軸力）。當葉片對機身的拉力超過機身的重量時，飛機將在延伸部z中執行上升運動。當六個葉片相對于機身的張力小于機身的重量時，飛機執行下降運動。當且僅當葉片提供的張力等于機身的重量時，飛機將在z軸上的某個位置懸停，實際上在空中盤旋。以上的狀態均不考慮其他外力的影響。同時，它考慮俯仰運動，滾動運動，偏航運動，前后平移運動以及左右平移運動。

六軸飛行器的姿態計算是通過傳感器收集相應的數據來描述機身的當前位置和機身的狀態。在當前的姿態計算中，角度通常由陀螺儀和加速度計擬合，最終獲得更準確的飛行姿態。大多數傳感器的融合數據相對較大，這需要具有強大計算能力的嵌入式系統。

3 結束語

六軸飛行器是一種較新型的飛行器，目前國內外的發展迅速，在各個領域中都起到了重要的作用，并且將來會發展到更廣闊的空間。隨著技術的發展，多軸飛機將朝著小型化和自動化的方向發展，并能更好地融入各個領域。對六軸飛行器的理論知識進行概述，選擇合適的算法和控制方案來控制飛行器。隨著科學的發展，六軸飛行器還可以得到更好的改進，隨著時間的推移，會有更好的產品出現在人們的面前。

1.4 基于衛星定位的導航以及各種抗干擾算法

迷你多軸飛行器還面臨著衛星定位導航不精準，方向傳感器受地面很多因素干擾，震動較大導致不能精確飛行器的狀態等多方面干擾。多軸飛行器大多數在較低的空間工作，在靠近地面的環境中GPS精度不能得到保障，需要其他定位方法來輔助 GPS定位，才能得到較為準確的方位信息。因此，對外界干擾的過濾，