四旋翼飞行器平衡传感器数据处理方法探讨

李潇

[摘 要]小型四旋翼飞行器是一种结构简单、可垂直起降的多旋翼飞行器，在军用和民用领域具有重要的应用价值。综述了当前微型四旋翼发展现状及关键技术问题。针对当前小型四旋翼飞行器控制中受控模型复杂、非线性、存在的不确定性和外界干扰等影响控制精度的问题，提出了滑模变结构控制[1]。最后对微型四旋翼飞行器的未来发展方向进行了展望。

[关键词]四旋翼 滑模变结构 综述

中图分类号：V271.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0376-01

微型四旋翼飞行器是一种具有垂直起降与空中悬停等特殊飞行能力的多旋翼飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩.不需要专门的反扭矩桨。另外.新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式[2]使其对广大科研人员具有很强的吸引力.成为国际上新的研究热点。

1 小型四旋翼飞行器发展概况

目前世界上主要的四旋翼飞行器基本上都属于小型无人飞行器，一般可分为2类：小型四旋翼飞行器和娱乐型航模四旋翼飞行器。

1.1 小型四旋翼飞行器

世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面；基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行嚣系统方案，其典型代表分别是：瑞士洛桑联邦科技学院（EPFL）的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMARS。

OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。

1.2 娱乐型航模四旋翼飞行器

遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dra.ganflyer公司研制的DraganflyerⅢ[6]1、香港银辉（silverlit）玩具制品有限公司研制的X—UFO和大疆公司的DJIphantom四轴飞行器。

mganflyerⅢ是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。机体最大长度（翼尖到翼尖）76.2 cm，高18 cm.重481.1 g；旋翼直径28 cm，重6 g；有效载荷113.2 g；可持续飞行16—20 rain。DmganflyerⅢ采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料，其机载电子设备可以控制4个电机的转速。另外，还使用了3个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制。

X—UFO机体最大长度68，5 cm，高14 cm；持续飞行时间约5 min；遥控距离可达100 m。X—UFO的旋翼被置于发泡聚丙烯（EPP）制成的圆环中，比Draganflyer m有更好的安全性。

DJIphantom机体最大长度39cm，高16cm；持续飞行时间约15 min；遥控距离可达300 m。内置GPS可以失控自行返航着陆，并集成了低电压保护当电压低时自动降落。

2 小型四旋翼飞行器发展关键技术及存在问题

迄今为止，小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还面临着诸多关键技术的挑战。

2.1 最优化总体设计

进行小型四旋翼飞行器总体设计时.需要遵循以下原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾，例如：飞行器重量相同时，其尺寸与速度、能耗成反比[7]。因此，进行小型四旋翼飞行器总体设计时，首先要根据性能和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量；其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。

2.2 动力与能源

动力装置包括：旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，能量由机载电池提供。小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。对于0S4 II，该比例就高达75%[8]。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。另一方面，动力装置产生升力时。消耗了绝大部分机载能量。例如，054Ⅱ的电能有9l%被动力装置消耗[8]。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比，在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下。将电机工作点配置在推荐运行区域内。

2.3 数学模型的建立

为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用（空气动力、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等），还很容易受到气流等外部环境的干扰[9]。因此，很难建立有效、可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形.很难获得准确的气动性能参数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼MAV数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段[10]。

3 针对小型四旋翼飞行器的模型与控制存在问题的解决方案

针对以上小型四旋翼飞行器控制中受控模型复杂、非线性、存在的不确定性和外界干扰等影响控制精度的问题，拟用滑模控制器来实现对复杂模型的非线性控制。滑模变结构控制可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单等优点，具有可观的研究价值[1-12]。该方法已经在实际工程中得到广泛的应用，如机器人控制、飞机控制和卫星姿态等，具有一定的可行性。

4 小型四旋翼飞行器的未来发展方向

未来小型四旋翼飞行器技术会逐步走向成熟与实用 。任务规划、飞行控制、无GPS导航、 视觉和通信等子系统将进一步健全和完善，使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指 标： 任务半径5km，飞行高度100m，续航时间1h，有效载荷约500g，完全能够填补目前国际上在该范 围内侦察手段的空白。

它将是一种有4个旋翼的可飞行传感 器芯片，是一个集成多个子系统 （ 导航与控制、动力 与能源、 任务与通信等子系统） 的高度复杂MEMS系统；不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行，还能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外 ，它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。在未来的战争中，微小型四旋翼飞行器 的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。

参考文献

[1] 刘金琨. 滑模变结构控制MATLAB仿真[M].北京：清华出版社，2012.

[2] SURESH K K，KAHN A D，YAVRUCUK IGTblARS，-flight controls and compuler architecture[M].Atlanta：Georgia Institute of Technology，2000.

[3] .BOUABDALLAH S；NOTH A；SIEGWART R PID vs LQ ontrol tehniques applied to an indoor miro-quadrotor.2004

[4] 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京： 电子工业出版社，2011.