四旋翼无人机飞行控制系统的发展研究进展

罗鼎馨 湘潭大学信息工程学院

前言

在计算机技术、人工智能技术快速发展的大背景下，有效推动了我国无人机应用发展。飞行控制系统作为无人机重要的组成部分，通过分析探讨飞行控制系统的发展现状，这对于提升无人机飞行控制性能，促进无人机实现更进一步的发展，发挥着更大的价值具有重要的意义。

一、四旋翼无人机结构组成与飞行机理分析

（一）四旋翼无人机结构组成分析

四旋翼无人机在结构组成方面具有明显的“十字交叉”特征，即整体结构呈严格对称十字交叉结构，在无人机体中央，配置有中心系统控制板与外部设备，无人机驱动装置为直流无刷电机，这种电机共有四个，分布在四旋翼无人机“十字架”四个端点中，由该电机带动与其连接的螺旋桨进行旋转，从而为无人机提供源源不断的飞行动力。与此同时，四旋翼无人机在实际进行飞行时，通常会受到旋翼产生的反力矩作用的影响，因此为避免在飞行时出现偏航问题，四旋翼无人机在结构上应用了四个螺旋桨，并在同一个平面之中，按照依次相差 90°的方式进行了安装，其中对于相邻两个螺旋桨而言，它们的转动方向相反，而相对两个螺旋桨的转动方向相同，如此一来，螺旋桨在对角线上产生的反力矩便能够互相抵消，从而确保飞行器不会出现偏航问题。此外，四旋翼无人机以不同的动力系统分配方式为依据，在实际进行飞行时，有着两种不同的飞行模式可供选择，一种是“+”字型，一种是“×”字型，文章本次选择的四旋翼无人机为“+”字型，并将其中按顺时针方向旋转的两个螺旋桨设置为 1、3螺旋桨，将旋转方向为逆时针的为两个螺旋桨 2、4螺旋桨，以下是对该无人机飞行机理的分析。

（二）四旋翼无人机飞行机理

四旋翼无人机在实际飞行过程中，通过调节螺旋桨力矩，并对螺旋桨产生的升力加以控制，能够有效克服螺旋桨旋转产生的反扭矩以及无人机本身的重力，实现高空飞行的同时，还能够改变机体的姿态角与位置状态，使得飞行更加自由灵活多变。对于某个特定四旋翼无人机而言，由于螺旋桨固联在驱动装置（直流无刷电机）之上，无人机的攻角与桨叶面积等参数固定不变，因此无人机的旋翼升力系数也不会改变，在叶素理论的指导下，通过对四旋翼无人机进行动力学分析我们能够认识到，无人机在飞行过程中，自身承受的升力与力矩与旋翼转速的平方成正比。

二、四旋翼无人机飞行控制系统发展研究进展分析

当下在商业领域中应用的四旋翼无人机都属于小型无人机，这种小型无人机控制系统主要有以下功能：一是能够完成上文叙述的各种动作，二是能够实现自主飞行与远程控制操作。从当下四旋翼无人机飞行控制系统发展研究进展来看，在国外，四旋翼无人机有着良好的操作性，该四旋翼无人机由法国公司研发生产，飞行高度为30m,并且能够直接通过智能手机进行控制，无人机可搭载高清摄像头，能够在飞行过程中完成拍摄任务，用户可以通过智能手机进行远程遥控拍摄。四旋翼无人机具体参数如下：控制系统核心处理器是处理器，为，磁强计、陀螺仪为3轴配置，同时还配置有超声波传感器与电子式气压传感器，在无人机四旋翼机端分别配置有一个智能直流电机作为驱动，通过上述硬件配置，有效保障了

相较于发达国家而言，我国在无人机研发方面虽然起步比较晚，但随着市场对无人机需求增加，再加上国家近些年对于低空领域管制逐渐开放，国内针对于四旋翼无人机研究开发力度不断加大，我国很多高新技术企业以及高校均开展了针对于四旋翼无人机的研究。尤其是在四旋翼无人机控制系统方面，高校与一些专业的研究机构更加侧重于算法与理论的研究，而高新技术企业则更加注重于应用实践研究。

从企业针对于四旋翼无人机飞行控制系统研究发展现状来看，“大疆”公司作为商用无人机行业领导者，自身研发生产的“系列小型航拍四旋翼无人机广受国内及国外市场的欢迎。大疆公司在无人机研发方面主要用于航拍，无人机一般搭载有高清摄像机，摄像机的像素高达1200万，因此在高空拍摄的图像非常的清晰，高清视频录像方面，有着非常高的帧率，一般为30帧/s。与此同时，当下针对于无人机航拍飞行控制方面，融入了先进的飞行航拍防抖技术，从而能够更好的适应各种复杂的航拍场景，能够有效保证拍摄图片影像的清晰度，在无人机之上，搭载有三轴云台，能够让相机子在高空中保持非常平稳的状态，获取的拍摄画面也更加的清晰流畅。无人机在进行室内飞行时，得益于先进的视觉定位系统，再加上先进的高精度超声波传感器的帮助，能够实现对图像的实时分析，并能够获取具体的高度信息，同时还能够在室内进行精准悬停，并能够始终保持飞行的稳定性。除此之外，大疆四旋翼无人机还有着性能非常突出的自紧旋翼，从而更够帮助无人机实现一种特定复杂的飞行运动动作，保证整体分析的稳定性。当下针对于最新的大疆无人机而言，除了具备上述优良的控制性能外，在电池方面也作出了良好的改进，当下大疆四旋翼无人机具备良好的电池保护功能与监测功能，从而在电池实际电量不充足时，及时发出预警，保证无人机能够顺利安全的返航，且能够支持智能手机远程遥控，在无遮挡的情况下，遥控距离高达3000m。

三、无人机发展应用前景分析

无人机当下有着非常广阔的应用前景，除了无人机技术水平日益成熟，同时在应用领域方面也变得更加的广泛。具体来说，首先在植保领域，无人机已经能够被用于高空农药喷洒、播种等方面的工作，与传统拖拉机作业相比，无人机空中飞行更加灵活自由，不受地形限制，能够显著提升农业生产种植效益。例如大疆公司生产的T16无人机，一次载药量能够达到16kg，并配置有专用压力离心喷头，使得喷药更加精准，除此之外，T16无人机还配备有查分定位与成像雷达，使得无人机控制系统性能得到了显著的增强，可实现一机多控。其次在航拍领域，航拍可以说是无人机最早的应用领域之一，当下在无人机航拍，随着计算机视觉技术（CV）、云台稳定控制技术等技术的应用，促使无人机航拍品质得到了显著的提升，同时当前无人机还配备有专门的高速图像传输系统，因此能够将无人机航拍画面实时传输至地面站加以利用，航拍质量水平得到了良好提升。最后，物流领域是近些年无人机应用的一种新的领域，我国部分电商、快递企业如京东、顺丰等，近些年也已经完成了无人机投递试验，这对于推动无人机货物配送发展具有重要意义。在国外，电商巨头亚马逊开始利用无人机，打造“空中订单履行中心（AFC）”，利用无人机群，将地面货物运输系统转移至空中，实现一些小型商品的高效率配送，更有助于节省物流成本，推动物流产业发展。

四、总结

综上所述，控制系统是四旋翼无人机的核心组成部分，从当下四旋翼无人机控制系统应用发展现状来看，控制系统已经日趋发展成熟，并在各个领域中均得到了广泛的应用。通过对四旋翼无人机飞行控制系统研究进展进行分析探讨，更能推动整体无人机研发实现更好的发展。