多旋翼無人機高空飛行穩(wěn)定控制問題分析

張利民　張益　聶其兵　叢恒　黃鵬

【摘 要】多旋翼無人機由于它的機械機構(gòu)較為簡單，并且維護和應(yīng)用比較方便，可以實現(xiàn)垂直起降和快速放飛，在近些年來已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。跟微小型的四旋翼無人機相比較，大軸距多旋翼的無人機有著更加優(yōu)良的載重能力、抗風(fēng)能力以及續(xù)航能力，在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用可以將其價值完好的體現(xiàn)出來。而多旋翼無人機在高空飛行過程當(dāng)中的穩(wěn)定控制是目前研究較為廣泛的一個問題，本文主要就多旋翼無人機在高空飛行過程中抗風(fēng)性的問題進行了簡要的探討。

【關(guān)鍵詞】多旋翼無人機；高空飛行；穩(wěn)定控制

1 大氣運動對于多旋翼無人機形成的影響

電機槳葉的旋轉(zhuǎn)所形成的氣流運動，是多旋翼無人機最為主要的動力來源，不過在大氣環(huán)境之中，風(fēng)場的運動會對槳葉所承受的相對氣流加以改變，繼而影響到旋翼在力跟力矩的輸出，對無人機在高空飛行的姿態(tài)、速度以及軌跡控制形成影響。

2 多旋翼無人機抗風(fēng)等級的評估

在對多旋翼無人機加以設(shè)計的過程當(dāng)中，抗風(fēng)等級是一種比較重要的設(shè)計指標(biāo)，所以應(yīng)該結(jié)合模型，并且應(yīng)用相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)對其抗風(fēng)性加以評估，主要是關(guān)于無人機出現(xiàn)在不同的蜂場強度之下能夠維持固定姿態(tài)和位置所呈現(xiàn)的可控性做出的評估。

為應(yīng)用模型對抗風(fēng)等價加以評估，我們把相應(yīng)的控制率在simulink模型當(dāng)中加以實施。如圖一所示。圖中最左面的木塊是控制器設(shè)計，其輸出包括油門、橫滾、偏航以及俯仰這幾個通道輸出，繼而利用電機分配的算法將其轉(zhuǎn)化成為八個電機轉(zhuǎn)數(shù)所對應(yīng)的控制量。而最右邊的木塊則是多旋翼無人機的系統(tǒng)對象，把模型當(dāng)中之前的風(fēng)場輸入自非線性的模型之中實現(xiàn)引出，繼而變更成為能夠應(yīng)用外部向量值而直接得出想要投影至無人機機體坐標(biāo)系之下的風(fēng)速。將為之設(shè)定值改成[0 0 0]，然后將偏航角控制設(shè)定于正北的方向之上。而在縱向通道上時，對風(fēng)速加以逐步增大，對無人機所能夠維持的位置所對應(yīng)的姿態(tài)角響應(yīng)加以記錄。

如圖二所示，利用不同風(fēng)速之下所對應(yīng)的姿態(tài)角的配平工作點，計算出能夠擬合出的對應(yīng)風(fēng)力-姿態(tài)曲線。圖二當(dāng)中的橫軸表示風(fēng)力的強度，而縱軸則表示對應(yīng)的風(fēng)場強度之下，無人機為了保持位置的單個通道方向所形成的配平抗風(fēng)姿態(tài)角。結(jié)合模型所具備的有效性和無人機飛行需要的速度，在控制率的設(shè)計時應(yīng)該把無人機的最大姿態(tài)角所對應(yīng)的設(shè)定值限制在二十度以內(nèi)，多對應(yīng)的抗風(fēng)性能就比十五米每秒要大，實現(xiàn)了獨一五級風(fēng)強范圍的覆蓋。

在我國某地區(qū)對八旋翼無人機實施懸?？癸L(fēng)實驗，用俯仰姿態(tài)角迎著風(fēng)向，這個時候?qū)嶒炄藛T利用手持形式的風(fēng)速測量儀對地面的風(fēng)速加以測量，是七到八米每秒。飛行姿態(tài)角的實際數(shù)值如圖三所示。在實施這個懸停實驗的過程當(dāng)中，飛行器被拉高到了五米的高度后進行懸停，繼而防止地面效應(yīng)的影響?？梢栽谧畲蟪潭戎鲜垢┭鐾ǖ缹χL(fēng)場的方向，讓抗風(fēng)姿態(tài)角可以盡量在俯仰單通道中得以呈現(xiàn)。因為地表所具備的粘滯性，所以與地面接近處的風(fēng)場所呈現(xiàn)出的變化不夠穩(wěn)定，所以反應(yīng)出的俯仰姿態(tài)角在波動范圍上也比較大。不夠利用相關(guān)的統(tǒng)計能夠得知，在四十秒的懸停時間之內(nèi)的配平風(fēng)速所呈現(xiàn)的俯仰姿態(tài)角所具備的平均值是4.75度，跟基于模型所得出的風(fēng)力-姿態(tài)取向在計算八米每秒的風(fēng)速之下相應(yīng)姿態(tài)角五度的數(shù)值十分接近，其誤差大概在百分之五之內(nèi)。

經(jīng)過了多次抗風(fēng)實驗驗證，并且將模型所具備的抗風(fēng)性加以分析可以得出結(jié)論，本文中設(shè)計的無人機的最大姿態(tài)角限幅是二十度的情況之下，可以在十五米每秒的風(fēng)速當(dāng)中維持在一定的位置，基本能夠達到抗六級風(fēng)的能力，對需要的指標(biāo)需求可以加以良好的滿足。

3 結(jié)束語

本文主要結(jié)合一個實驗對多旋翼無人機在高空飛行過程中抗風(fēng)性進行了探討，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的無人機抗風(fēng)實驗中，該多旋翼無人機可以實現(xiàn)對六級風(fēng)的抵御。

【參考文獻】

[1]薛偉霖.四旋翼無人機姿態(tài)控制的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2016.

[2]李誠龍.多旋翼無人機高空飛行穩(wěn)定控制問題研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[責(zé)任編輯：張濤]