小型無人機結構與控制分析

張光輝

（廣州市工貿(mào)技師學院，廣東廣州，510425）

0 引言

無人機作為飛機自動化運行的簡要稱呼，借助控制器完成飛機的飛行過程，相比傳統(tǒng)駕駛飛機，無人機控制技術是保障其使用質量的關鍵因素。無人機在有序控制作用下，具有較為優(yōu)異的機動性能、較強的隱蔽能力、攻擊性較低等特點，適用于敵對關系實施偵察活動，加強對戰(zhàn)技術指導，完成空中情報信息的完整性收益，能夠為相關行業(yè)提供有價值的信息。

1 小型無人機結構

■1.1 四旋翼無人機結構

四旋翼無人機的整體構成包括三個元素：第一個元素是地面控制站，用于完成信號的計算與控制；第二個元素是控制系統(tǒng)，用于完成通信程序；第三個元素是導航系統(tǒng)，為無人機飛行提供支持。

圖1 無人機控制站

（1）圖1屬于無人機地面控制站，此程序用于實時勘測無人機的所在位置，在獲取無人機實時飛行數(shù)據(jù)信息，加以有效處理，在控制器完成無人機控制信號的接收時，同時將控制信號予以發(fā)送。

（2）四旋翼無人機如圖2所示，屬于控制與導航系統(tǒng)，將此兩個系統(tǒng)安裝在無人機結構中。控制與導航兩個系統(tǒng)的應用功能在于完成無人機飛行情況數(shù)據(jù)的測量，借助多種傳感器，比如陀螺儀。在傳感器收集到無人機飛行數(shù)據(jù)時，能夠實時完成分析，針對四旋翼無人機的各項信息，將信息反饋至地面控制站，由此控制站完成信號解算。無人機信息包括所在位置、飛行速度、飛行傾斜度等信息。通訊系統(tǒng)與地面控制站保持連接狀態(tài)，通訊系統(tǒng)運行程序為機載控制，將地面控制站獲取的控制信號，經(jīng)算法解析整合成為電機控制信號，再將整合完成的電機控制信號傳送至電機系統(tǒng)，以此完整控制無人機，控制項目包括：旋翼轉動、旋轉方向與角度、旋轉速度。

圖2 四旋翼無人機結構圖

四旋翼無人機的結構，具體表現(xiàn)為電機旋翼、小型電動機。電動機的應用意圖在于：為無人機提供動力，具有較強的能源獲取能力，相比其他動力供給設備更為穩(wěn)定與輕便。旋翼與電動機均設計為4個，偶數(shù)設計便于提升無人機對角調(diào)整效果，使其相對位置與轉速處于平穩(wěn)狀態(tài)。在構造方式中，四組旋翼具有較為均等的旋轉速度，產(chǎn)生的電動扭矩具有相容性，科學抵消影響無人機平衡的力矩。

一般情況下，直升機對非平衡力矩同樣具有消除需求，其消除機制是尾翼轉動，旋翼結構便于在小型無人機結構中完成非平衡力矩的消除程序，提升小型無人機運行平穩(wěn)性。在無人機飛行期間，其控制器在四個電機轉速作用下完成多元化姿態(tài)飛行。采取垂直起降方式提升無人機起降程序的穩(wěn)定性，在無人機四個方面運動期間，能夠完成基本的巡航過程，可實行前后、左右兩種翻轉形式，以此順應高難度視角的航拍需求，獲取更為清晰的勘測數(shù)據(jù)[1]。

■1.2 四旋翼無人機結構特點

（1）機動性能優(yōu)異，飛行適應能力較強，能夠在各種環(huán)境下完成任務。相比固定翼，四旋翼無人機無需設置起降跑道，垂直起降即可完成飛行與停運，以此提升四旋翼無人機的飛行靈活性，減少其飛行對空間產(chǎn)生的嚴格要求。無人機具備空中懸停功能，以此保障圖像效果的清晰與穩(wěn)定，發(fā)揮小型無人機的應用優(yōu)勢。

（2）機械構造精密性強，控制操作易于掌握。相比直升機結構，小型無人機的機械化結構具有較高的緊湊感、較強的緊密性。與此同時，螺旋槳數(shù)量為四個，其共同產(chǎn)生的推力，能夠為無人機提供更多控制維度，相比單一螺旋槳所具有的推力，能夠在簡單操作程序中獲得無人機多重姿態(tài)。

（3）飛行噪聲小，易于隱藏。無人機的四個螺旋槳能夠將受力予以分散，每個電機運行功率具有可控性，由此形成較小噪聲。小型電機有助于科學躲避熱力雷達的探測，以此提升四旋翼無人機的勘測隱蔽性能，由此在軍事領域中能夠有效獲取敵方戰(zhàn)地信息，以便于制定有效應對之策。

2 小型無人機控制過程

■2.1 控制原理

無人機屬于自動化飛行的設備，無需人員駕駛，其控制機制較為簡單，框架分析程序在自動控制原理下予以完成。現(xiàn)階段自控技術的形成取決于反饋理念，以此提升控制技術的穩(wěn)定性，保障無人機處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。反饋理論組成元素有三個：測量數(shù)據(jù)、對比數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令。測量程序中能夠獲取受控變量的具體數(shù)據(jù)，將其與目標值相對比，控制器可借助偏差情況實時控制被控對象，以此提升系統(tǒng)響應的精準性，減少系統(tǒng)響應發(fā)生偏差，以此控制與優(yōu)化被控主體。

在地面控制站的運行過程中，將待執(zhí)行任務指令，經(jīng)由地面控制站、控制系統(tǒng)，指令傳輸至無人機系統(tǒng)中，無人機執(zhí)行指令期間，其所在位置、飛行速度、飛行狀態(tài)等信息將會由感知系統(tǒng)獲取，繼而傳輸至地面控制站。如圖3所示為無人機控制原理圖，地面控制站的運行原理等同于無人機控制系統(tǒng)中的控制器。無人機控制系統(tǒng)中的的伺服作動器類比于無人機電機系統(tǒng)，圖中的被控對象實體為無人機旋翼，圖中檢測裝置實體是傳感器[2]。

圖3 無人機控制原理圖

■2.2 PID控制器

控制四旋翼無人機的設備有多種選擇，研發(fā)人員針對控制器的復雜性，嘗試將其添加至無人機控制系統(tǒng)中。然而，控制器組成繁雜性提升時，相應增強依賴模型建設的真實性，控制效果相比PID控制器并不理想。因此，現(xiàn)階段大多數(shù)無人機控制系統(tǒng)中，使用PID控制器，將其設定為核心控制算法。

PID控制器的字母表示為：P表示“比例”的英文縮寫，I表示“積分”的英文縮寫，D表示“微分”的英文縮寫。此控制器擁有較為簡單的結構組成，獲得了廣泛應用。在PID控制器組成中，P表示的是比例控制，I表示的是消除靜差的積分控制，D表示的是微分控制，能夠提升無人機的動態(tài)響應效果。由于PID控制器具有簡易的操作程序，其具有較強的適應能力，在無人機操作領域獲取了廣泛應用與發(fā)展。

■2.3 多址通信控制

在多組無人機飛行期間極易形成通信干擾問題，由此提出了多址通知控制技術，此技術的核心理念在于：針對群組中無人機的實際飛行特點，將無人機飛行劃分為多個地址，采取相同頻段信道傳輸形式，完成信號有效接收，加強信號分離，再進行信號提純與擴展，有效識別信號信息，減少無人機在群飛期間產(chǎn)生通信干擾。例如在開展探測活動時，共計派出四架無人機完成共同飛行，在飛行期間按，每秒時段完成感應獲取信息，將各種傳輸?shù)刂贩謩e添加至2個信道中，在1號信道中，比特率設置為16kbps，2號信號完成的比特率設置比1號高于1kbps。

此種通信控制方法，能夠有效完成四架無人機信號獲取，四架無人機信號頻率分別為1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。在獲取完成無人機信號頻率的基礎上，借助信號處理器予以加工，分離器能夠完成信號分離，放大器能夠完成信號提純。在加工處理完成時，再行開展信息核對，嘗試獲取最佳通信結果[3]。

3 控制模擬分析

■3.1 模擬設計

研發(fā)人員以通信控制為基礎，開展模擬控制，以此驗證通信控制的可行性。選擇四架無人機作為試驗對象，讓其進行航拍任務，通信傳輸設計為10秒。在傳感器的技術作用下，獲取了四架無人機的通信頻率，分別為1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。設定兩個通信傳輸信道，比特率設計為16kbps、17kbps。在模擬實驗期間，采取無人機的人為控制操作，操作項目有爬升、速度改變、降落等。在實驗開展前期，采取K近鄰算法、隨機法完成機器學習程序，獲取樣本數(shù)量為4822個，訓練周期為158秒、165秒。158秒的周期數(shù)據(jù)由K近鄰算法獲取，165秒的周期由隨機法計算獲取。觀測無人機通信信號辨識效率、飛行穩(wěn)定性、通信響應周期。

■3.2 模擬結果

模擬實驗總計持續(xù)15分鐘，完成信號傳輸90次，實時開展工作觀察。通信響應周期借助傳感器完成記錄，在實驗完成時直接獲取，實驗結果如下：

（1）實驗時間為15分鐘。

（2）無人機通信信號辨識效率為98.35%。

（3）飛行穩(wěn)定性為100%，即發(fā)生碰撞可能性為0。

（4）通信響應周期為0.22秒。

依據(jù)實驗結果，在15分鐘的實驗周期范圍內(nèi)，多組無人機共同飛行對其實施的通信控制，控制效果良好，信號辨識效率高達98.35%，飛行穩(wěn)定性為100%，在各類飛行過程中無碰撞事件發(fā)生的可能性，在爬升、速度變化、降落等飛行過程中，通信響應周期均值為0.22秒，能夠順應大多數(shù)無人機作業(yè)的響應需求，表示通信控制技術具有可行性。

■3.3 模擬分析

根據(jù)實驗結果能夠發(fā)現(xiàn)：在多組無人機同時飛行期間，將會形成一定的通信干擾問題。此類通信干擾問題具有可控性，以此減少負面問題對無人機作業(yè)產(chǎn)生的負面作用。為此，相關人員在實際運行無人機前期，應科學列舉可能性發(fā)生的飛行問題，借助相關控制思想、數(shù)字化技術加以回避。在控制技術本質層面觀之，無人機作為自動化技術組成的新型產(chǎn)物，在未來將會獲得廣泛的應用，有效提升現(xiàn)代技術聯(lián)合使用效果，保障無人機性能獲得增強。為此，傳感器、通信技術、PID控制器，均作為無人機控制的有效方法。此外，在后續(xù)無人機控制研究中，應加強環(huán)境因素的考量，比如大氣、雨天、電磁等因素，從其干擾視角，研究其控制方法，為無人機穩(wěn)定運行提供更多助力。

4 無人機的應用

四旋翼無人機借助其較為簡易穩(wěn)定的構造形式、常規(guī)性部件應用、運維便利等優(yōu)勢，使其制造、操作、控制等成本具有較高的經(jīng)濟性。與此同時，無人機在實際使用期間，行動較為靈活，具備較強的隱藏能力，獲得廣泛應用，在其他領域中逐漸開啟使用。比如京東配送服務融合了無人機控制程序，在網(wǎng)絡市場經(jīng)濟中嶄露頭角。同時在火災監(jiān)測、森林防護、地質復雜區(qū)域監(jiān)測、失蹤人員救援方案制定、遙感圖像資料的有效獲取等領域，無人機同樣獲得了有效應用。為此，加強無人機控制，提升其應用性能，尤為關鍵。

5 結論

綜上所述，小型四旋翼無人機的構造中，具有輕便、簡易等特點，使其在各領域中獲得了廣泛應用，為相關產(chǎn)業(yè)與技術發(fā)展提供技術支持，發(fā)揮無人機控制技術的應用價值，加強經(jīng)濟效益產(chǎn)出，具有重要意義。