小型无人机结构与控制

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1、小型无人机结构与控制与人工驾驶的飞机相比，无人驾驶飞机不受人身心极限的限制，可以执行人工驾驶飞机无法实现或很难实现的用途，因此无人机被广泛应用于军事、民用以及商业领域。本文以旋翼式无人机中的小型四旋翼无人机作为探究对象，详细探讨了无人机的系统组成、机械结构与控制器，介绍了核心的PID控制方法原理与应用。通过对小型四旋翼无人机的探索，分析了无人机的优点、特性和适用领域，并对其可能实现的用途进行了展望。　　【关键词】无人机自动控制PID控制7　　无人机，即无人驾驶飞机的简称，是一种依靠控制器而不依靠载人驾驶飞行的飞机。与传统载人驾驶飞机相比，无人机具有多种优势

2、，因此被广泛应用于军事与民用领域。在军事方面，无人机具有良好的机动性，极强的隐蔽性，不会造成无人员伤亡等特点，可应用于战场的侦察行动，对战中的实时支持和巡逻，空中情报截获等方面，在最近的几次局部战争中都出色地完成了军事任务。在民用方面，利用无人机飞行时间长、灵活便捷、可以跨地形拍摄等特点，被广泛应用于执行不利于人类执行的任务，可完成在高危环境或山区恶劣环境条件下的任务。比如当前在森林火灾抢险、遥感图像的获取、地理与地形的测量勘探、失踪救援搜救等方面，无人机都得到了充分的利用。　　无人机根据不同的机身外形和动力学原理，可以分为固定翼式和旋翼式无人机。固定翼式

3、无人机指的是机翼固定的无人机，在形态上与传统大飞机没有很大差别，主要利用滑行和空气动力进行飞行，利用机翼和尾翼进行姿态调节。由于以商用大飞机为基础的空气动力学已经被研究得十分透彻，因此固定翼无人机在技术上较旋翼式无人机更为成熟。固定翼无人机的优点是飞行速度快、机动效率高、承载载荷大等，缺点是需要较大的起飞着陆场地，使用范围受到了环境的限制。旋翼式无人机采用多旋翼作为飞行动力，并通过调整多个旋翼的旋转方向与力度来调整无人机的速度与姿态。多旋翼无人机采用了直升机的空气动力学原理，因此具有很多直升机的特性，比如垂直起飞降落、定点悬停、侧飞与倒飞等。多旋翼无人机具

4、有非常稳定的飞行姿态，极大程度上降低了对使用环境的要求，具有广泛的应用前景。　　本文以小型四旋翼无人机作为探讨对象，针对其系统结构组成、机械结构与控制方法等议题进行了研究，希望进步一发掘其利用途径。　　1小型无人机结构组成　　四旋翼无人机系�y由三部分组成：负责计算控制信号的地面控制站，负责通信的机载控制系统和负责得到无人机飞行状态信息的导航系统。7　　图1（a）给出了四旋翼飞机的地面控制站示意图，地面控制站主要负责实时观测四旋翼无人机的位姿信息，接收得到无人机飞行状态信息并及时处理，利用控制器运算得到无人机的控制信号并发送出去。　　机载控制系统和导航系统

5、放置在机身上，如图1（b）所示。机载导航系统主要负责测量得到飞行状态数据，这需要利用种传感器，如陀螺仪、气压计等。根据传感器得到的数据可以实时解算出四旋翼无人机的位置、速度、姿态等飞行信息，并将它们传递给地面控制站便于控制站解算控制信号。　　与地面控制站的通讯由机载控制系统负责，把来自地面控制站的控制信号转变为电机控制信号发送给电机系统，来实现对旋翼旋转方向和转速的控制。7　　如图1（b）所示，四旋翼无人机采用的机械结构为四个电机旋翼，四个小型电动机提供动力，采用小型电机的优点在于能源较容易获得，并且对比于其他动力源的发动机更轻便稳定。采用偶数的旋翼可以通

6、过调整对角的相对位置与转速对无人机的姿态进行调整，之所以利用这样的构造方式，是因为四个转速相等的旋翼可以产生相同的电动扭矩，使得非平衡力矩得到抵消。一般的直升机也需要消除非平衡力矩，但是通过尾翼的转动来消除的，显然四旋翼结构能更有效地实现这一目的。在飞行过程中，飞行控制器通过调节四个电机的转速来实现各种飞行姿态：垂直起降可以完成平稳的起降任务，前进后退与左右飞行可以实现基本的巡航功能，前后翻转和左右翻转可以得到高难度的角度以更好地执行拍摄等任务。　　从系统构造可以看出，四旋翼无人机具有以下几个重要的特点：　　1.1机动性能较强，适应能力优良，可以在起伏不定

7、的环境下执行任务　　与固定翼相比，四旋翼无人机不需要起降跑道，垂直起降的功能保证了其起降区域不受限制，这样极大地节省了空间需求。空中悬停功能可以得到更加稳定的图像效果，这是固定翼无人机无法实现的。　　1.2机械构造紧凑，控制方法简单　　同直升机结构相比，由于采用了小型电机，四旋翼无人机的机械构造更加紧凑。同时，四个螺旋桨的推力可以提供更多的控制维度，比单个螺旋桨产生的推力能更简单地完成各姿态调节。　　1.3噪声较小，隐蔽性强　　由四个螺旋桨分担受力，每个电机的功率不需要太大，因此噪声更小。而且由于采用了更小的电机，可以很好地避开热力雷达，从而使得四旋翼无人

8、机具有更好的隐蔽性，因此在战场环境中小型四旋翼无人机能够胜任隐蔽性