四軸飛行器的結構和控制綜述

趙陽　王敏　徐志輝　史非凡　王玉斌

摘?要：現代科學技術的發展迅猛，越來越多有趣的科技產品進入人們生活，其中四軸飛行器是不得不提的。四軸飛行器是一種靈活且易操控的小型無人機，在表演、航拍、運輸小型貨物等方面都有不錯的應用前景。本文將先分類總結學者研究的進展和貢獻，再對四軸飛行器的結構原理和控制方法進行綜述。

關鍵詞：四軸飛行器;發展歷程;結構設計;控制方法

1 四軸飛行器的發展歷程

世界上第一架四軸飛行器于1907年誕生于Breguet兄弟的工作室，四軸飛行器正式踏入歷史舞臺，但由于其在飛行時無法得到有效的控制，其穩定性較差。1924年，名為Oemichen的四軸飛行器誕生，并完成了四軸無人機發展歷史上首次1KM高度的飛行。1956年，Convertawing發明的飛行器采用了使用兩個引擎來驅動四個旋翼的方式，通過改變四個旋翼產生的力來完成飛行控制，這架飛行器為后來的四軸飛行器打下基礎。近年來，隨著電子技術、傳感器技術、控制理論的發展和應用，四軸飛行器得到了很好的發展，并為人類生產和生活都帶來了極大的便利。

2 四軸飛行器的結構設計分析

四軸飛行器的機械結構采用十字形交叉布置的方案。在四個主軸的外側端點處分別安裝四個電機，且要保證這四個電機的旋翼處在同一水平面，該結構的中央部分具有安放飛行控制電路以及作為預留擴展平臺功能。該結構的特點是，其十字形布局允許飛行器通過改變電機的轉速獲得調節飛行姿態的力。飛行控制電路具有解算當前飛行姿態并控制電機轉速的功能。圖1（a）所示為四軸飛行器結構設計簡圖，設定1號旋翼為飛行器的頭部，讓1號旋翼和3號旋翼逆時針旋轉，讓2號旋翼和4號旋翼順時針旋轉。由于四個旋翼之間的轉動差異，會使得飛行器機身與水平地面產生一個傾斜角度。

如圖1（b）所示，四個旋翼旋轉產生的力可分解成垂直地面向上的升力和前向分力。當飛行器旋翼轉動產生的升力大小與其自身重力相等時，前向分力使得飛行器沿傾斜角方向水平飛行。當傾斜角是俯仰角時，飛行器可向前或向后運動;當傾斜角是橫滾角時，飛行器向左或向右運動;當傾斜角屬于航向角時，由逆時針旋轉的兩旋翼產生的反扭矩和順時針旋轉的兩旋翼產生的反扭矩的共同作用，飛行器會繞z軸自旋轉。具體飛行狀態控制可參照下表內容。

3 四軸飛行器的控制方法綜述

四軸飛行器在航行中可能會突然受到來自氣流或磁場變化的干擾，使得傳感器采集的參數出現失真，這些錯誤信號輸入控制器就會使得飛行器的姿態發生紊亂，甚至是造成飛行器墜毀。為此，我們引入雙環PID控制對飛行器的運行狀態進行實時的監控和修正，使之穩定航行。對于其姿態控制，如圖2示，以變換靈敏的角速度因子作為內環，以角度作為外環，當飛行姿態出現偏差時，可以快速的對其姿態進行修正。同理，飛行器想要飛行在一個恒定的高度范圍，必須克服氣流運動對其機身的干擾，引入z軸加速度值作為內環，對采集計算到的高度值進行持續調整，使之維持在預期的高度范圍。其中，PID輸信號控制電機轉速大小，可以調整飛行器的空間三軸歐拉角和高度。

通常采用PID控制算法中的位置式數字PID控制：

ut=kpet+ki∫t0etΔt+kdΔetΔt（1）

式（1）中ut代表PID控制算法輸出值，et為期望值與實際值之差，∫t0etΔt代表積分量，ΔetΔt代表微分量，kp、ki、kd分別代表比例、積分、微分的系數。

4 總結

飛行一直是人類的夢想。四軸飛行器作為一種流行的科技產品，可以在多種應用場景之中為人們創造便利。隨著無人機技術的不斷的發展和應用，在不遠的將來，相信四軸無人機會給我們帶來更多的驚喜。

參考文獻：

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