多旋翼無人機飛行控制技術

這節課我們討論多旋翼無人機的飛行控制 多旋翼無人機具有能夠垂直起降、定點懸停、機動靈活和安全信號等優勢 與常規的固定翼無人機和直升機相比 多旋翼無人機在運動特性和控制方式上有很大的不同 常規的直升機通過對總距和週期變距的控制 來改變直升機旋翼的拉力、大小和運動方向 而多旋翼無人機一般則通過調整各個電機和螺旋槳的轉速 來實現對無人機的姿態和位置的控制 由於多旋翼無人機具有高度偶合的運動特性 一個螺旋槳的轉速的改變將至少影響三個自由度上的運動 從飛行要求來看 多旋翼無人機應具備空間六個自由度和三個可控的基本運動狀態 這三個可控的基本運動狀態我們可以歸納為 垂直運動、水平直線運動和水平轉動 其中水平直線運動可以分為前後運動和側向運動 控制運動狀態的參數可以主要有 飛行高度、垂直速度、平飛速度、俯仰角、滾轉角和偏航角 三個運動狀態的控制可以通過控制這些運動參數來實現 也就是說通過控制這些運動參數 就可以實現對多旋翼無人機的任意運動的控制 下面我們以多旋翼無人機中最常見的一種四旋翼無人機為例 來討論無人機的飛行控制問題 四旋翼無人機的垂直運動 垂直運動控制較為簡單 同時增加四個電機的輸出功率 增加螺旋槳的轉速使得總的拉力增加 那麼無人機就會垂直向上飛行 反之則垂直向下飛行 垂直運動控制的時候 可以將飛行高度、垂直速度作為控制狀態參數 設定期望高度、期望的垂直速度 採用一定的控制方法 這種控制方法可以是PID控制方法、模糊控制方法等等 同時調整四個電機的功率 改變螺旋槳的拉力 對飛行高度和垂直速度進行調整 水平直線運動 水平直線運動可以分為前後運動和側向運動 由於四旋翼無人機具有軸對稱性 因此前後運動和側向運動在操控方式上是一樣的 以前後運動為例 分別減小和增加前後兩個螺旋槳的轉速 產生拉力差 形成低頭力矩 使機身低頭 產生拉力的前向分量 使無人機向前運動 向後飛行類似 水平前後運動控制時 可以將俯仰角、水平速度作為控制狀態參數 設定期望的俯仰角、期望的水平速度 採用一定的控制方法 同時增加減小前後兩個電機的轉速 使前後兩個螺旋槳產生拉力差 對機身產生低頭或抬頭力矩 從而實現對俯仰角和水平速度的調整 四旋翼的水平轉動 四旋翼無人機的水平轉動 可以藉助螺旋槳產生的反扭矩來實現 而反扭矩的大小與螺旋槳的轉速有關 當四個螺旋槳轉速相同的時候 反扭矩互相平衡 無人機不發生轉動 當四個螺旋槳轉速不同時 不平衡的反扭矩就會引起四旋翼無人機的水平轉動 在水平轉動控制時 可以將偏航角作為控制狀態參數 設定期望的偏航角 採用一定的控制方法改變四個螺旋槳的轉速 使四個螺旋槳產生的反扭矩不能相互平衡 對機身產生扭轉力矩 從而實現對偏航角的調整 多旋翼無人機的三個基本運動狀態控制之間 存在著嚴重的偶合 某個運動狀態控制的時候 對螺旋槳轉速產生了改變 極有可能破壞其他運動狀態的平衡和穩定 因此在多旋翼無人機飛行的時候 一定要同時對三個基本運動狀態進行控制 以保證飛行控制的全局穩定