03_四旋翼飞行器技术关键

目录

总体设计优化

能源动力系统

建立数学模型

飞行控制

定位、导航与通信

总体设计优化

进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则：质量轻、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，因此进行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架材料，尽可能地减轻飞行器质量；其次要综合考虑质量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。

能源动力系统

动力装置包括旋翼、微型直流电机、电调等，能量由机载电池提供。四旋翼飞行器的质量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的质量在整个机体质量中占了很大比例。对于OS4 Ⅱ，该比例就高达75%。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。另外，动力装置产生升力时消耗了绝大部分机载能量。例如，OS4 Ⅱ的电能有91%被动力装置消耗。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。

建立数学模型

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。但在飞行过程中，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。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。

飞行控制

四旋翼飞行器是一个具有六自由度（位置与姿态）和4个控制输入（旋翼转速）的欠驱动系统（Underactuated System），具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得四旋翼飞行器的设计变得非常困难。此外，控制器性能还将受到模型准确性和传感器精度的影响。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系（俯仰、横滚直接引起机体向前后、左右移动），如果能精确控制飞行器姿态，则采用PID控制律就足以实现其位置与速度控制。国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明，尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，其实际控制效果反而不如PID。因此，研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是四旋翼飞行器研究的关键。

定位、导航与通信

微小型四旋翼飞行器主要面向近地面环境，如城区、森林、隧道和室内等。但是，目前还存在定位、导航与通信方面的问题。一方面，在近地面环境中，GPS常常不能正常工作，需要综合惯导、光学、声学、雷达和地形匹配等技术，开发可靠、精确的定位与导航技术；另一方面，近地面环境地形复杂，干扰源多，当前通信链技术的可靠性、安全性和抗干扰性还不能满足实际应用的需求。因此，研制体积小、质量轻、功耗低、稳定可靠和抗干扰的通信链对微小型四旋翼飞行器技术（尤其是多飞行器协同控制技术）的发展而言是十分关键的。