小型无人机结构与控制分析

时间：2024-05-04

张光辉

（广州市工贸技师学院，广东广州，510425）

0 引言

无人机作为飞机自动化运行的简要称呼，借助控制器完成飞机的飞行过程，相比传统驾驶飞机，无人机控制技术是保障其使用质量的关键因素。无人机在有序控制作用下，具有较为优异的机动性能、较强的隐蔽能力、攻击性较低等特点，适用于敌对关系实施侦察活动，加强对战技术指导，完成空中情报信息的完整性收益，能够为相关行业提供有价值的信息。

1 小型无人机结构

■1.1 四旋翼无人机结构

四旋翼无人机的整体构成包括三个元素：第一个元素是地面控制站，用于完成信号的计算与控制；第二个元素是控制系统，用于完成通信程序；第三个元素是导航系统，为无人机飞行提供支持。

图1 无人机控制站

（1）图1属于无人机地面控制站，此程序用于实时勘测无人机的所在位置，在获取无人机实时飞行数据信息，加以有效处理，在控制器完成无人机控制信号的接收时，同时将控制信号予以发送。

（2）四旋翼无人机如图2所示，属于控制与导航系统，将此两个系统安装在无人机结构中。控制与导航两个系统的应用功能在于完成无人机飞行情况数据的测量，借助多种传感器，比如陀螺仪。在传感器收集到无人机飞行数据时，能够实时完成分析，针对四旋翼无人机的各项信息，将信息反馈至地面控制站，由此控制站完成信号解算。无人机信息包括所在位置、飞行速度、飞行倾斜度等信息。通讯系统与地面控制站保持连接状态，通讯系统运行程序为机载控制，将地面控制站获取的控制信号，经算法解析整合成为电机控制信号，再将整合完成的电机控制信号传送至电机系统，以此完整控制无人机，控制项目包括：旋翼转动、旋转方向与角度、旋转速度。

图2 四旋翼无人机结构图

四旋翼无人机的结构，具体表现为电机旋翼、小型电动机。电动机的应用意图在于：为无人机提供动力，具有较强的能源获取能力，相比其他动力供给设备更为稳定与轻便。旋翼与电动机均设计为4个，偶数设计便于提升无人机对角调整效果，使其相对位置与转速处于平稳状态。在构造方式中，四组旋翼具有较为均等的旋转速度，产生的电动扭矩具有相容性，科学抵消影响无人机平衡的力矩。

一般情况下，直升机对非平衡力矩同样具有消除需求，其消除机制是尾翼转动，旋翼结构便于在小型无人机结构中完成非平衡力矩的消除程序，提升小型无人机运行平稳性。在无人机飞行期间，其控制器在四个电机转速作用下完成多元化姿态飞行。采取垂直起降方式提升无人机起降程序的稳定性，在无人机四个方面运动期间，能够完成基本的巡航过程，可实行前后、左右两种翻转形式，以此顺应高难度视角的航拍需求，获取更为清晰的勘测数据[1]。

■1.2 四旋翼无人机结构特点

（1）机动性能优异，飞行适应能力较强，能够在各种环境下完成任务。相比固定翼，四旋翼无人机无需设置起降跑道，垂直起降即可完成飞行与停运，以此提升四旋翼无人机的飞行灵活性，减少其飞行对空间产生的严格要求。无人机具备空中悬停功能，以此保障图像效果的清晰与稳定，发挥小型无人机的应用优势。

（2）机械构造精密性强，控制操作易于掌握。相比直升机结构，小型无人机的机械化结构具有较高的紧凑感、较强的紧密性。与此同时，螺旋桨数量为四个，其共同产生的推力，能够为无人机提供更多控制维度，相比单一螺旋桨所具有的推力，能够在简单操作程序中获得无人机多重姿态。

（3）飞行噪声小，易于隐藏。无人机的四个螺旋桨能够将受力予以分散，每个电机运行功率具有可控性，由此形成较小噪声。小型电机有助于科学躲避热力雷达的探测，以此提升四旋翼无人机的勘测隐蔽性能，由此在军事领域中能够有效获取敌方战地信息，以便于制定有效应对之策。

2 小型无人机控制过程

■2.1 控制原理

无人机属于自动化飞行的设备，无需人员驾驶，其控制机制较为简单，框架分析程序在自动控制原理下予以完成。现阶段自控技术的形成取决于反馈理念，以此提升控制技术的稳定性，保障无人机处于稳定运行状态。反馈理论组成元素有三个：测量数据、对比数据、执行指令。测量程序中能够获取受控变量的具体数据，将其与目标值相对比，控制器可借助偏差情况实时控制被控对象，以此提升系统响应的精准性，减少系统响应发生偏差，以此控制与优化被控主体。

在地面控制站的运行过程中，将待执行任务指令，经由地面控制站、控制系统，指令传输至无人机系统中，无人机执行指令期间，其所在位置、飞行速度、飞行状态等信息将会由感知系统获取，继而传输至地面控制站。如图3所示为无人机控制原理图，地面控制站的运行原理等同于无人机控制系统中的控制器。无人机控制系统中的的伺服作动器类比于无人机电机系统，图中的被控对象实体为无人机旋翼，图中检测装置实体是传感器[2]。

图3 无人机控制原理图

■2.2 PID控制器

控制四旋翼无人机的设备有多种选择，研发人员针对控制器的复杂性，尝试将其添加至无人机控制系统中。然而，控制器组成繁杂性提升时，相应增强依赖模型建设的真实性，控制效果相比PID控制器并不理想。因此，现阶段大多数无人机控制系统中，使用PID控制器，将其设定为核心控制算法。

PID控制器的字母表示为：P表示“比例”的英文缩写，I表示“积分”的英文缩写，D表示“微分”的英文缩写。此控制器拥有较为简单的结构组成，获得了广泛应用。在PID控制器组成中，P表示的是比例控制，I表示的是消除静差的积分控制，D表示的是微分控制，能够提升无人机的动态响应效果。由于PID控制器具有简易的操作程序，其具有较强的适应能力，在无人机操作领域获取了广泛应用与发展。

■2.3 多址通信控制

在多组无人机飞行期间极易形成通信干扰问题，由此提出了多址通知控制技术，此技术的核心理念在于：针对群组中无人机的实际飞行特点，将无人机飞行划分为多个地址，采取相同频段信道传输形式，完成信号有效接收，加强信号分离，再进行信号提纯与扩展，有效识别信号信息，减少无人机在群飞期间产生通信干扰。例如在开展探测活动时，共计派出四架无人机完成共同飞行，在飞行期间按，每秒时段完成感应获取信息，将各种传输地址分别添加至2个信道中，在1号信道中，比特率设置为16kbps，2号信号完成的比特率设置比1号高于1kbps。

此种通信控制方法，能够有效完成四架无人机信号获取，四架无人机信号频率分别为1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。在获取完成无人机信号频率的基础上，借助信号处理器予以加工，分离器能够完成信号分离，放大器能够完成信号提纯。在加工处理完成时，再行开展信息核对，尝试获取最佳通信结果[3]。

3 控制模拟分析

■3.1 模拟设计

研发人员以通信控制为基础，开展模拟控制，以此验证通信控制的可行性。选择四架无人机作为试验对象，让其进行航拍任务，通信传输设计为10秒。在传感器的技术作用下，获取了四架无人机的通信频率，分别为1100Hz、1200Hz、1300Hz、1600Hz。设定两个通信传输信道，比特率设计为16kbps、17kbps。在模拟实验期间，采取无人机的人为控制操作，操作项目有爬升、速度改变、降落等。在实验开展前期，采取K近邻算法、随机法完成机器学习程序，获取样本数量为4822个，训练周期为158秒、165秒。158秒的周期数据由K近邻算法获取，165秒的周期由随机法计算获取。观测无人机通信信号辨识效率、飞行稳定性、通信响应周期。

■3.2 模拟结果

模拟实验总计持续15分钟，完成信号传输90次，实时开展工作观察。通信响应周期借助传感器完成记录，在实验完成时直接获取，实验结果如下：

（1）实验时间为15分钟。

（2）无人机通信信号辨识效率为98.35%。

（3）飞行稳定性为100%，即发生碰撞可能性为0。

（4）通信响应周期为0.22秒。

依据实验结果，在15分钟的实验周期范围内，多组无人机共同飞行对其实施的通信控制，控制效果良好，信号辨识效率高达98.35%，飞行稳定性为100%，在各类飞行过程中无碰撞事件发生的可能性，在爬升、速度变化、降落等飞行过程中，通信响应周期均值为0.22秒，能够顺应大多数无人机作业的响应需求，表示通信控制技术具有可行性。

■3.3 模拟分析

根据实验结果能够发现：在多组无人机同时飞行期间，将会形成一定的通信干扰问题。此类通信干扰问题具有可控性，以此减少负面问题对无人机作业产生的负面作用。为此，相关人员在实际运行无人机前期，应科学列举可能性发生的飞行问题，借助相关控制思想、数字化技术加以回避。在控制技术本质层面观之，无人机作为自动化技术组成的新型产物，在未来将会获得广泛的应用，有效提升现代技术联合使用效果，保障无人机性能获得增强。为此，传感器、通信技术、PID控制器，均作为无人机控制的有效方法。此外，在后续无人机控制研究中，应加强环境因素的考量，比如大气、雨天、电磁等因素，从其干扰视角，研究其控制方法，为无人机稳定运行提供更多助力。

4 无人机的应用

四旋翼无人机借助其较为简易稳定的构造形式、常规性部件应用、运维便利等优势，使其制造、操作、控制等成本具有较高的经济性。与此同时，无人机在实际使用期间，行动较为灵活，具备较强的隐藏能力，获得广泛应用，在其他领域中逐渐开启使用。比如京东配送服务融合了无人机控制程序，在网络市场经济中崭露头角。同时在火灾监测、森林防护、地质复杂区域监测、失踪人员救援方案制定、遥感图像资料的有效获取等领域，无人机同样获得了有效应用。为此，加强无人机控制，提升其应用性能，尤为关键。