無人機及其自動控制原理概述

1、無人機及其自動控制原理概述作者：任力諾來源：科技傳播2018年第19期摘要 無人機的發(fā)展已經(jīng)有了幾十年的歷史，隨著近幾年來的科技發(fā)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(jié)，就可以實現(xiàn)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(tǒng)保證飛行路徑的 可控性，可借助通訊系統(tǒng)與地面控制人員進行交互以實時監(jiān)測無人機的飛行狀態(tài)。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(guī)的工 作。相信隨著無人機技術的進步

2、，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(xiàn)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(yōu)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(huán)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(fā)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(fā)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

3、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(xiàn)代戰(zhàn)爭中已經(jīng)廣泛應用于實戰(zhàn)，而且在民用領域也有很大的發(fā) 展空間。1 無人機的發(fā)展歷程不要以為無人機的發(fā)展是近一二十年來的事情，其實無人機出現(xiàn)得相當早，一開始的出現(xiàn) 是出于軍事上的考慮。早在二戰(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)斗任務。當然那個時候的無人機還不是作為戰(zhàn)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

4、個時候，大部分無人機其實和我們在超市里經(jīng)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(zhàn)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(jīng)退役 或者淘汰下來的飛機改裝成無人機用于實戰(zhàn)以提高軍事裝備的使用效能。因此在20世紀末期 的海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)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(lián)網(wǎng)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

5、據(jù)預 先設定好的程序主動地執(zhí)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(yōu)化。當然，材料科學的發(fā)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(xiàn)有助于無人機的輕量化與小型化。機械設計的發(fā)展也帶來了新翼型的出現(xiàn)，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(fā)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(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于攝

6、像、演出等場合。不過由于空域受限，民用領域的發(fā)展也受到 了一定的束縛。經(jīng)過了將近一個世紀的發(fā)展，無人機技術已經(jīng)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(tǒng)結構從系統(tǒng)組成來看，主要分為以下幾部分：飛行控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、導航系統(tǒng)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(jiān)測的 場合中。飛行控制系統(tǒng)與導航系統(tǒng)相配合，用于實現(xiàn)對飛行器的自動化控制。導航系統(tǒng)主要由 各種傳感器組成，用于監(jiān)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(tǒng)和實時監(jiān)測人員。傳感器括陀螺儀，GPS定位傳感器等其他與所要實現(xiàn)功能

7、相關 的傳感器。飛行控制系統(tǒng)根據(jù)導航系統(tǒng)所搜集到的信息對無人機的飛行姿態(tài)進行調整，從而按 照事先所規(guī)劃的路徑進行移動，以及實現(xiàn)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(xiàn) 的功能也可以借助通訊系統(tǒng)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(tǒng)用于與地面基站的交互，以及與其他無人機保持聯(lián)系，因此保持信 道的穩(wěn)定性相當重要。無人機的故障很多都是由于通訊系統(tǒng)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(tǒng)失靈就相當于切斷了無人機與外界的聯(lián)系，不過 如果自動控制功能足夠

8、強大的話，無人機仍有可能在通訊系統(tǒng)失靈的狀態(tài)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(tài)，實現(xiàn)平動、垂直運動、俯仰、滾 轉、偏航等多種運動模態(tài)。電

9、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(xù) 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(xù)航幾個小時。懸架上 往往放置有實現(xiàn)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(tài)下保持懸架 的穩(wěn)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?？紤]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

10、 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(xiàn)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(xiàn)。 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(chǎn)生前后方向的翻轉力矩， 實現(xiàn)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(chǎn)生滾轉力矩，實現(xiàn)滾轉運動。前述的俯仰

11、和滾轉運動是通過對角線分組來實現(xiàn)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(xié)調一致，而產(chǎn)生組間的轉 速差，就可以產(chǎn)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(tǒng)，往往遵循圖2的控制流程。這是一個反饋控制系統(tǒng)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(zhí)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

12、統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)也不例外，同樣需要相應的反饋環(huán)節(jié)，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(tǒng)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(huán)節(jié)與系統(tǒng)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(huán)節(jié)用于調整系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高輸出的精度。微分環(huán)節(jié)用于削弱系統(tǒng)的振蕩，如果系 統(tǒng)存在正方向振蕩，只需要添加負值的微分環(huán)節(jié)即可。對于一般的較為穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，這一 環(huán)節(jié)經(jīng)?？梢员皇÷?。PID

13、控制策略的主要優(yōu)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(shù)，就能夠達到一般的使用要求。四旋翼無人機系統(tǒng)是一種非線性的系統(tǒng)，由前述的運動原理分析可知，對于復雜的運動狀 態(tài)，系統(tǒng)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(shù)就有可能對其他參 數(shù)產(chǎn)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(fā)，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(shù)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(tài)控制器。位置控 制器是整個控制器的外環(huán)部分，通過對方位的確定來保證無人機按照

14、預定的軌跡航行。位置控 制器的輸出量作為姿態(tài)控制器的輸入量，也就是說，姿態(tài)控制器按照位置控制器的輸出量來調 整無人機的姿態(tài)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(tài)進行適當?shù)恼{整。姿態(tài)控制器的控制結構圖如圖4所示，同樣采用的是內外環(huán)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。基本采用的還是前述的PID控 制策略，根據(jù)所要完成的飛行任務來確定控制器參數(shù)。4結論與展望無人機經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具有了非常明顯的優(yōu)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(xiàn)，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(xiàn)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(fā)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。參考文獻鄒湘伏，何清華，賀繼林.無人機發(fā)展現(xiàn)狀及相