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小型无人机结构与抑制

发布时间:2019-01-03 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    小型无人机结构与抑制作者: 张睿   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,能够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、机械结构与抑制器,介绍了核心的PID抑制方法原理与应用。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 自动抑制 PID抑制
  无人机,即无人驾驶飞机的简称,是一种依靠抑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,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,在近来的几回部分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、能够跨地形拍摄等特点,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,能够分为固定翼式和旋翼式无人机。固定翼式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讨得十分透彻,因此固定翼无人机在技能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。旋翼式无人机选取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。多旋翼无人机选取了直升机的空气动力学原理,因此具有很多直升机的特性,比如垂直起飞下降、定点悬停、侧飞与倒飞等。多旋翼无人机具有相当稳定的飞行姿态,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、机械结构与抑制方法等议题进行了研讨,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由三局部组成:负责计算抑制信号的地面抑制站,负责通讯的机载抑制系统和负责得到无人机飞行状态信息的导航系统。
  图1(a)给出了四旋翼飞机的地面抑制站示意图,地面抑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准时处理,利用抑制器运算得到无人机的抑制信号并发送出去。
  机载抑制系统和导航系统放置在机身上,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能够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抑制站便于抑制站解算抑制信号。
  与地面抑制站的通信由机载抑制系统负责,把来自地面抑制站的抑制信号转变为电机抑制信号发送给电机系统,来实现对旋翼旋转方向和转速的抑制。
  如图1(b)所示,四旋翼无人机选取的机械结构为四个电机旋翼,四个小型电动机提供动力,选取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。选取偶数的旋翼能够通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能够产生相同的电动扭矩,使得非平衡力矩得到对消。一般的直升机也需要消除非平衡力矩,然而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,飞行抑制器通过调节四个电机的转速来实现各种飞行姿态:垂直起降能够完成平稳的起降任务,前进后退与左右飞行能够实现基本的巡航功能,前后翻转和左右翻转能够得到高难度的角度以更好地执行拍摄等任务。
  从系统构造能够看出,四旋翼无人机具有以下几个重要的特点:
  1.1 机动本能较强,适应能力优良,能够在起伏不定的环境下执行任务
  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。空中悬停功能能够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,抑制方法大略
  同直升机结构相比,由于选取了小型电机, 四旋翼无人机的机械构造更加紧凑。同时,四个螺旋桨的推力能够提供更多的抑制维度,比单个螺旋桨产生的推力能更大略地完成各姿态调节。
  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。而且由于选取了更小的电机,能够很好地避开热力雷达,从而使得四旋翼无人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可以胜任隐蔽性强的任务。
  2 小型无人机抑制原理
  无人机作为一种无人驾驶的自动化设备,其抑制原理能够利用自动抑制原理的基本分析框架进行分析。
  如图2所示,图2(a)给出了自动抑制的基本闭环框图。当今的闭环自动抑制技能都是基于反馈的观念以削减不确定性。反馈理论的要素包括三个局部:测量、对照和执行。测量得到被控变量的实际值,并与期望值相对照,抑制器能够利用这个偏差对被控对象实时抑制,来纠正系统的响应,实现对被控对象的抑制与调节。
  如前文所述,待执行任务从地面抑制站通过机载抑制系统发送给无人机,无人机执行后将位置、速度、姿态等飞行信息反馈给地面抑制站。这个过程中,地面抑制站非常于图2(a)中的抑制器,图中执行器是无人机的电机系统,被控对象是四旋翼无人机的旋翼,检测装置是无人机上搭载的各种传感器。
  对于四旋翼无人机而言,可选择的抑制器很多,研讨者也试图将各种复杂的先进抑制器施加到无人机抑制中。但抑制器实现越复杂,对模型正确性的依赖就越强,其实际抑制效果反而不如PID抑制。因此目前在大多实际无人机抑制模块中仍使用PID抑制作为其核心算法。
  PID抑制器指的是比率(P,proportion)、积分(I,integral)、微分(D,differential)抑制抑制器,虽然结构大略,但它是在工业过程中应用最广泛的一种抑制方法。PID抑制器由比率单元P、积分单元I和微分单元D组成,各个单元有各自的特点与抑制领域,比率抑制实现基础抑制,积分抑制消除静差,微分抑制可加快系统的动态响应速度。正是因为PID抑制器大略易行,因此能够用于各种应用场景,才在无人机工业得到了大范围的应用。
  3 结束语
  从上文的介绍能够看出,四旋翼无人机还具有很大的潜在军用以及商用价值有待发掘。四旋翼无人机具有很多独特的构造优点,比如结构大略、使用部件较常规、维护方便、能源获取便捷等,使其制造成本和学习成本相对于其他无人机更为低廉。加之其所具备的行为灵活、隐蔽性强、用途广泛等本能特性,很多之前无人机未涉足的领域如今也逐步被开发出来,比如电商巨头亚马逊和京东就起初使用无人机进行配送,并且民用拍摄无人机也获得市场认可。综上所述,开展小型四旋翼无人机的理论和技能研讨在开展学术理论研讨、推动相关家当和技能发展、加强国防建设、创造经济效益等方面都具有重大的意义。
  参考文献
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  [2]聂博文,马宏绪,王剑等.细小型四旋翼飞行器的研讨现状与关键技能[J].电光与抑制,2007,14(6):113-117.DOI:10.3969/j.issn.1671-637X.2007.06.028.
  [3]王伟,张晶涛,柴天佑等.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报,2000,26(03):347-355.
  作者简介
  张睿(1999-),男,现就读于重庆鲁能巴蜀中学校。
  作者单位
  重庆鲁能巴蜀中学校 重庆市 400025
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