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      四旋翼无人机的控制系统,遥控及用途分析

      四旋翼无人机的控制系统,遥控及用途分析

      目前市面上的旋翼无人机分为三旋翼无人机、四旋翼无人机六旋翼无人机固定翼无人机等,与单旋翼式无人飞行器相比,四旋翼飞行器布局简单、易于控制、操作灵活,在飞行稳定性和可操纵性上更加突出。此外,噪声小,制造精度低,隐蔽性好以及在狭小空间中完成飞行任务等优点,使得四旋翼拥有更加大的应用潜力。

      法国parrot公司开发的AR.Drone2.0四旋翼无人机具有良好的操作性,可采用智能手机控制其飞行到30米的高度。机载高性能摄像机,能够实现在飞行中拍摄,同时,用户可对其进行远程遥控,调整飞行姿态和飞行轨迹。AR.Drone2.0内置1GHz ARM Cortex A8处理器、800MHz DSP、1GB DDR RAM,3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计、电子式气压传感器、超声波传感器,4个智能直流电机,为实现机体的精准控制和平稳飞行提供硬件保障。通过采用优化的控制算法,能够实现垂直起飞、垂直降落、空中盘旋和空中翻转等飞行动作。该无人机最大飞行高度为30米,最大飞行半径为50米,最快飞行速度可达30m/s。

      与欧美发达国家相比,我国的小型四旋翼无人机的研究和发展起步相对较晚,但是随着小型四旋翼无人机技术的成熟和应用需求的增加,我国许多高等院校、科研机构、高新技术企业加入到小型四旋翼无人机的研发和制造大潮中来,并取得了丰硕的研究成果。

      深圳大疆创新科技公司生产的Phantom系列小型航拍四旋翼无人机在国内外销售业绩很好。该公司的经典机型主要用于航拍。机载相机拥有1200万像素,可以实现高清晰度成像,拥有4K高清视频录像的帧率为30帧/秒。同时采用创新的航拍防抖技术,在复杂的航拍状况下,三轴云台可以使相机始终保持平稳,以获取平稳流畅的画面。当其在室外飞行时,借助机载的GPS和GLONASS卫星导航系统和智能飞行控制系统,可以实现准确飞行并可以自动返航。当其在室内飞行时, 凭借先进的视觉定位系统和高精度超声波传感器,通过实时的图像分析和高度测量,实现室内的精确定点悬停和平稳飞行。高精度自紧旋翼性能突出,为实现特定的飞行动作提供稳定、准确、快速的动力。Phantom3能自动记录重要的飞行参数,例如航点、航线、飞行时间、飞行距离、飞行高度等信息,并实时存储拍摄的照片和视频等资料,以便于后期检索。Phantom3的电池具有完善的保护功能和监测功能,保证飞行安全并能够实现安全返航。遥控器工作在2.4GHz-2.8GHz频段,在无遮挡的情况下,遥控距离约3000米。APP有iOS版本和Android版本,支持多种移动设备,通过智能手机或者平板电脑,用户可以实时查看拍摄的视频图像。

       

      四旋翼无人机控制系统能够利用自动控制系统,能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制,其载有加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘等传感器。由它来控制各个电机的转速进而控制飞机的姿态,加上GPS或差分GPS可完成定点悬停,自主航线飞行等功能。四旋翼无人机在飞行控制上使用直接力矩,实现6自由度(控制和姿态)控制,具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在具有中心对称结构的十字架结构机身的四个端点。改变四个电机的转速从而改变升力,实现四旋翼飞行器的轨迹和姿态控制。四旋翼无人机控制系统的基础是四旋翼无人机的姿态的实时检测,姿态检测部分包括对四旋翼无人机的姿态角以及姿态变化速率的测量。微小型四旋翼飞行器是一种非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统,在飞行过程中,四旋翼无人飞行器可以通过调节四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角度和飞行高度,而对于飞行器的水平位置,只能通过飞行器姿态角度与水平位置之间的耦合关系来间接控制,因此实现四旋翼无人飞行器三个方向的位置控制具有较大的难度。除此之外,由于四旋翼无人飞行器体积小并且重量轻,在飞行过程中空气阻力和阻力矩对其影响比较大,因此在设计飞行控制器时还需要考虑到时变的外部干扰问题。除外界扰动以外,在每次飞行中,不同的负载导致飞行器的重量以及转动惯量也都会有很大程度上的差别。

       

      关于四旋翼无人机的遥控,通道就是可以遥控器控制的动作路数,比如遥控器只能控制四轴上下飞,那么就是1个通道。四轴在控制过程中需要控制的动作路数有:上下、左右、前后、旋转? 所以最低得4通道遥控器。而遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手。所谓遥控器油门,在四轴飞行器当中控制供电电流大小,电流大,电动机转得快,飞得高、力量大;反之同理。判断遥控器的油门很简单,遥控器2个摇杆当中,上下板动后不自动回到中间的那个就是油门摇杆。

       

      四旋翼无人机用途方面,小型四旋翼无人机在民用领域的应用越来越广泛,已在交通、航拍、农业、应急救援和灾害监测等领域获得成功应用。交通方面,通过在城市上空巡航对交通状况进行实时监测,然后,通过无线通信技术将交通信息发送给交管部门,当发生交通事故或交通堵塞时,可以及时获取第一手的现场图像资料,加快事故处理和恢复交通的速度。航拍方面,小型低空无人机通过搭载高清摄像机可以实现婚礼现场、新闻节目、测绘测量和影视娱乐等场合的航拍工作。农业方面,由于无人机具有轻便小巧,机动灵活,起降不需要专用跑道等突出优点,在农药喷洒等场合应用前景广阔,这将对于提高农业自动化,降低农民劳动强度,减少农药对人身健康的损坏意义重大。应急救援方面,在2008年四川汶川地震中,民政部门使用无人机采集灾区相关数据来评测灾情,提高了救援效率和救援效果。地质灾害监测方面,使用无人机能够降低自然地理条件对地质调查工作的不利影响,大幅提高地理信息的获取速度,降低地质灾害调查的工作强度。

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