新型旋翼無人機通信技術探究

黃朝陽，胡國軍

（紹興文理學院 元培學院，浙江 紹興 312000）

1 四旋翼無人機模型系統的確定

新型旋翼無人機具有如下優勢：（1）性能優良，特別是在低空領域，機動性能強，可在環境復雜的區域實現空中懸停監視偵查，快速地在大街小巷和叢林山川中穿行、起降；（2）可持續性強，耗能低，只需要4個馬達即可，因此具有噪音低的特點，不僅適用于軍事，還可以在許多商業領域發揮著不可替代的作用；（3）操作簡單，原理通俗易懂，適用于各個年齡階段的使用；（4）無人機成本低，結構組成簡單，拆裝更換零部件十分容易，便于后期維護；（5）功能強大，航拍不僅可以用于影視作品的制作，還能用于各種地質勘察，收集數據，在軍事上可完成情報獲取，由于其體積較小，可以有很好的隱蔽性，當然還可在搶險救災、快遞投送等工作中起到一定作用。

1.1 無人機飛行控制系統的硬件組成

典型的無人機硬件系統主要由電子調速器、電機、各種傳感器、飛行控制器、螺旋槳的動力系統及供電系統等組成。

其中，無人機的動力來源是4個馬達，通過作動螺旋槳來實現無人機的飛行任務；操作人員通過地面控制站（也就是遙控器）對無人機進行操控，實現使用者與飛機之間的信息交互。

在實際應用中，飛行控制的基本過程（見圖1）為：用戶在控制臺根據需求輸入相應的命令，控制器生成相應的數字指令，通信系統將信號傳送給無人機的傳感器，主控制處理單元負責將數字信號裝換成電信號，改變無人機的飛行狀態，從而實現對飛機的控制與導航。

圖1 無人機控制模型

1.2 云臺技術的應用

無人機在空中飛行進行航拍，必須應用云臺技術即空中三腳架，從而使攝像頭能夠穩定獲取畫面。

1.3 確定無人機的數學模型

首先制定模型的假設條件：（1）無人機視為剛體，飛行過程中不會因為空氣阻力或其他原因而發生結構改變；（2）4個馬達型號相同，確保可以提供統一的電流、電壓；（3）4根機翼正交安裝，無人機重心位于幾何中心；（4）飛行環境沒有其他外界干擾因素，如強風、暴雨等，并且忽略空氣阻力影響。

無人機的飛行原理是通過調節4個電機旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態。表1為無人機飛行原理對照。

模型建立首先要確立地面坐標系（見圖2）與機體坐標系（見圖3）。

圖2 地面坐標系

圖3 機體坐標系

運動分析螺旋槳滿足如下方程：

機體坐標系下無人機受到的升力為：

其中，i表示對應旋翼編號。

根據牛頓運動可得無人機的運動數學模型：

其中，偏航角為φ，俯仰角為θ，滾轉角為φ，螺旋槳推力為T，空氣阻力為F，螺旋槳轉矩為M，阻力矩為τ，螺旋槳推力系數為Kτ，螺旋槳轉速為Ω，空氣阻力系數為Kf，線速度為S，螺旋槳轉矩系數為KM，空氣阻力系數為Kτ，角速度ξ，機體繞三個軸的轉動慣性為Ix、Iy、Iz。

1.4 確定無人機的軟件控制系統

四旋翼無人機由于其獨特的結構布局以及復雜的飛行控制特性，給軟件控制系統的設計工作帶來了一定的難度，目前國際上已經存在的幾種控制方案都各有千秋，需要針對具體情況來做出抉擇。

當今四旋翼飛行控制技術可分成經典PID控制、線性控制、非線性控制、智能控制以及其他控制。表2為無人機飛行控制技術比較。

在飛行器數學模型的基礎上，基于擴展卡爾曼濾波器得到的位姿與速度估計，應用控制器使飛行器轉向全球坐標下的目標位姿，根據實驗效果調整控制器的參數，使其滿足自主飛行的要求。

首先，針對四旋翼系統存在模型不確定性和外界擾動的問題，本次研究可采用竇景欣[3]等人設計的姿態控制器，其控制效果相比于經典的自抗擾控制器，具有更好的穩定性和動態性能。

然后，針對四旋翼控制系統中可能會出現的航向通道控制器積分飽和的問題，可以參考章志誠變速積分的方法，來改進本次研究中的自抗擾控制器，從而實現對四旋翼飛行器航向通道的穩定控制[4]。

表1 無人機飛行原理對照

表2 無人機飛行控制技術比較

2 無人機通信技術探究

2.1 GPS/GLONESS雙模衛星定位系統的確定

目前，全球定位系統GPS、全球衛星導航系統GLONESS、伽利略衛星導航系統和北斗衛星導航系統是當今最為廣泛應用的導航系統。表3為衛星導航系統比較。

全球衛星導航系統GLONASS（Global Navigation Satellite System）與全球定位系統GPS（Global Positioning System）極其相似，都可以在全球范圍內對各個地方的氣候情況進行監測，24 h連續工作，并且可以提供三維空間的數據信息以及時間情況。二者還可以兼容使用，提供更好的精度幾何因子，進一步提高定位精度[5]。表4為GLONASS與GPS的各參數比較。

目前，大多數無人機僅僅采用GPS提供的數據來確定其自身位置與返航，用光流模塊來實現無人機的定位，這些傳感器本身感應距離有限，對外界環境要求高，沒能達到理想的效果，故本次研究采用雙模定位系統。它能夠提供更加精確的位置信息，融合兩種定位系統提供的位置信息。同時，該系統能夠精確實現自主導航，按地圖選擇點軌跡飛行，減少操作人員工作量且實現低功耗、低重量、低成本，定位返航更加精準。

2.2 4G通信系統的確定

在不同的無人機應用場景中，無人機控制通信系統會采取不同的通信技術，按照通信的距離和要求，主要分為3種：Wi-Fi、蜂窩網絡及基于云端的技術。表5是對3種通信技術的比較。

傳統無人機依靠2.4 GHz/5.8 GHz頻段Wi-Fi進行圖傳，如果無人機與地面站控制距離較遠，圖傳會出現卡頓與延時，不利于地面控制人員進行空中作業。由于目前智能手機已經相當普及，項目可以選擇智能手機作為操縱、監視的終端設備，并通過4G網絡連接，控制無人航拍飛行器，可以提供實時畫面至手機端。

表3 衛星導航系統比較

表4 GLONASS與GPS的各參數比較

表5 3種通信方案

故本次研究采用4G蜂窩網絡技術來進行無人機的圖傳工作，利用4G網絡進行圖傳，使得圖傳不受距離限制，實現流暢圖傳。當無人機遠距離執行任務時，可以提供蜂窩技術，延長無人機與地面控制器的傳輸距離[6]。當然，如果對于更遠的通信范圍，無人機甚至可以通過衛星網絡進行中繼傳輸。

3 各項精度指標的確定

無人機通信技術系統的確立，不僅需要理論支撐，還需要大量的實踐證明，通過實驗調試，檢測出尺度估計精度、狀態預測精度、位置控制精度與里程計漂移的控制限度以及追蹤目標物體的穩定性等，從而不斷完善通信技術的功能。

4 結 論

無人機通信系統的確立十分繁瑣，首先需要根據實際需求確定模型，并選取合適的控制系統和導航系統，然后通過不斷地實際驗證，才能得到各項參數值，最后運用科學的方法以及合理的分析，從而建立完整的通信系統，使其可以在更多的領域中發揮作用。本文的研究基于模型的建立，其中還存在一些問題和不足，有待進一步改進與完善。