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多旋翼无人机与无人机编队
摘 要 文章以四旋翼无人机为基础,介绍了其飞行原理、控制方法以及实际应用价值.与此同时,多无人机编队成为了航空领域的热点问题,应用前景广泛,在军用和民用领域都有着广泛的价值.本文介绍了基于行为法、人工势场法等无人机编队方法,同时分析了无人机编队的应用前景.
关键词 无人机编队；一致性；编队集结；队形变换；避障
中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）225-0187-03
2018 年5 月15 日,深圳哈瓦国际航空技术公司最新推出了一款多用途警用无人机.该无人机整体使用碳纤维材料制造,保持较轻自重的同时又确保了机身强度,具有较强的适应环境的能力.无人机整体机架为六轴结构,并且可根据不同使用场景切换六旋翼和十二旋翼推进系统,最大载荷分别达到15kg 和25kg.为了满足警用无人机的狭窄空间作业需求,无人机的各个方位都装配摄像头和传感器,将采集到的位置信息和障碍信息实时传输到处理器,通过建立周边环境的三维坐标系和避障算法实现720 度全向感知,可以感知到机身周围200m 范围的障碍物,并通过改变螺旋桨转速和角度的方式实现姿态调整,进而达到避障飞行的效果.无人机是如何在短时间内得以飞速发展呢？无人机是怎么在空中做出高难度的动作？无人机的主要应用领域在哪里？针对以上问题,本文将一一阐述.
1 多旋翼无人机研究
多旋翼无人机的定义为：具有3 个或者3 个以上的旋翼轴的无人驾驶飞行器.其中最为常见也最为经典的就是四旋翼无人机.在市场应用领域,四旋翼无人机主要为消费级产品,涵盖了航拍、表演等民用场景.本文研究单无人机的结构和控制原理时,以四旋翼无人机为例进行阐述说明.
1.1 四旋翼无人机结构
四旋翼无人机,顾名思义,由4 个旋转的螺旋桨提供升力,通过4 个螺旋桨不同的转速进而做出悬停、俯仰、滚转、偏航等姿态.4 个螺旋桨的桨型及半径完全相同,其分布形式主要包括十字型和X 型：十字型分布中,无人机的前进方向与其中一个轴方向相同,而X 型分布则表示无人机的前进方向为两个轴的中间方向.十字型分布的飞行控制系统较为简单,适合新手设计和操作；而X 型更灵活,适合熟练飞手进行较高难度的飞行,如特技飞行.四个螺旋桨安装在无人机的4 个支架( 四旋翼由此也被称为“四轴飞行器”）,支架放置处理器和摄像头、云台等外设[1].四旋翼无人机的典型结构图如图1 所示.
1.2 四旋翼无人机的工作原理
四旋翼无人机的螺旋桨连接4 个电机,在进行飞机姿态控制时,通过调节4 个电机的转速进而改变螺旋桨所提供的升力,达到控制姿态和位置的效果.四旋翼飞机具有6 个自由度,但是却只有4 个输入力,因此四旋翼无人机是一个欠驱动系统[2].
下面,我们通过表格和图片的形式阐述四旋翼无人机的控制过程,如表1.
如图2 所示,四旋翼无人机的基本运动形式包括：X 轴、Y 轴、Z 轴平动以及沿X 轴、Y 轴、Z 轴转动.
1）悬停及垂直运动：螺旋桨1 和螺旋桨3 逆时针转动,螺旋桨2 和螺旋桨4 顺时针转动,当四个螺旋桨转速相同时,所产生的扭矩被抵消,此时四旋翼无人机不产生绕轴转动运动.当四个螺旋桨的转速逐渐增大,所产生的升力恰好与重力平衡,无人机处于悬停状态,当螺旋桨转速继续增大,升力大于重力,无人机进行垂直上升运动（沿Z 轴上移）,反之,当螺旋桨转速减小,升力小于重力,无人机垂直下降（沿Z 轴上移）.表1 及图2 以垂直上升为例.
2）俯仰运动：保持螺旋桨2 和4 的转速不变,增大螺旋桨1 的转速,减小螺旋桨3 的转速,此时螺旋桨1 产生的升力大于螺旋桨3 产生的升力,无人机进而绕Y 轴正转.同理,当增大螺旋桨3 的转速,减小螺旋桨1 的转速,无人机绕Y 轴反转.表1 及图2 以俯仰正转运动为例.
3）滚转运动：保持螺旋桨1 和3 的转速不变,减小螺旋桨4 的转速,减小螺旋桨2 的转速,此时螺旋桨4 产生的升力大于螺旋桨2 产生的升力,无人机进而绕X 轴正转.同理,当增大螺旋桨2 的转速,减小螺旋桨4 的转速,无人机绕Y 轴反转.表1 及图2 以滚转正转运动为例.
4）偏航运动：增大螺旋桨1 和3 的转速不变,减小螺旋桨4 的转速,此时螺旋桨1 和3 作用于无人机的反扭矩大于螺旋桨2 和4 作用于无人机的反扭矩,无人机便在此作用下沿Z 轴正转.同理,增大螺旋桨1 和3 的转速不变,减小螺旋桨4 的转速,无人机沿Z 轴反转.表1 及图2 以偏航正转运动为例.
1.3 旋翼无人机的应用
在科学技术不断发展的今天,无人机已经成为一种应用十分广泛的产品,它以独特的优势得到了人们的关注,并成功应用在各行各业,成为人们圆梦高空的利器.它的机动性好、适应能力强、成本低廉、易于操作,可以执行军事侦查、地质勘探、物资运输、航拍摄影等任务[3].近些年,随着技术的发展和制造成本的降低,以四旋翼飞机为代表的消费级无人机开始进入普通人的生活,它们定价合理、功能强大,已经获得了越来越多人的青睐.近年来,以DJI（大疆创新）为代表的无人机创新企业,已经将消费级无人机扩展到了千亿级市场规模,并在勘探、警用、救援等多个专业领域有着不俗的表现,从巴掌大小的自拍无人机到大规模专业级无人机,都正在或者即将改变人们的生活体验、创造新的生活场景.相信在未来,旋翼无人机将会成为人们生活中不可或缺的产品.
2 多无人机编队研究
2.1 多无人机编队控制方法
在多无人机编队控制领域,控制算法是其核心,国内外学者提出了诸多编队控制算法,其中主流且经过严格论证的方法包括：基于行为法、人工势场法、长机- 僚机法、图论法、虚拟结构法,本文主要对前两种方法进行分析介绍.
2.1.1 基于行为法
基于行为法的关键在于感知周围环境并作出相应判断.在无人机编队飞行过程中,机载传感器感知周围飞行环境,处理器和控制器做出不同响应.该方法将无人机编队的响应类型分为四种：避免碰撞、避开障碍物、获取目标和保持队形,每架无人机上控制器输出是这些基本行为的控制作用的加权平均值.基于行为法稳定性较好、灵活性强,但是队形保持难以做到十分精确[4].
2.1.2 人工势场法
顾名思义,人工势场法通过构建人工势能场的方式来达到无人机编队飞行的效果.构建人工势能场需要建立人工势场函数,即各无人机之间具有相互吸引和相互排斥的作用力：当无人机之间的距离小于安全距离时,无人机之间的作用力为“斥力”,当无人机之间的距离大于编队距离时,无人机之间的作用力为“引力”.无人机加载多种传感器,可对周边环境进行三维建模,当检测到飞行轨迹上的存在障碍物且与障碍物的距离小于安全距离时,无人机与障碍物产生“斥力”,反之亦然.人工势场法原理简单,思路明确,但是构建人工势场函数以及周边环境的三维模型建立,对处理器的要求较高[5].
2.2 无人机编队应用
无人机编队主要的应用领域可分为军用和民用.在军用方面,无人机编队相较于单架无人机有诸多优势：无人机编队协同作业,可提升执行任务的成功率.在侦查军事目标、斩首行动、建立战场通讯、电子对抗和干扰等任务中,无人机编队可弥补单架无人机载重有限、视域不足的缺点,在瞬息万变的战场上很可能成为制胜关键[6].在民用领域,无人机编队最主要的应用场景为无人机编队表演,从春晚上数百架无人机美轮美奂的编队飞行,到婚礼、庆典中小型无人机编队助兴,无人机编队表演已经成为一种新颖时尚的表演形式[7].
3 结论
本文对多旋翼无人机以及无人机编队进行研究.在单无人机方面,本文以四旋翼为例,阐述了无人机的典型结构和基本控制方法,其中对螺旋桨转速变化引起的无人机姿态变化进行了详细地说明,多旋翼无人机的应用场景广泛,本文亦有介绍.在无人机编队方面,本文列举了基于行为法、人工势场法和长机—僚机法3 种典型的无人机编队控制方法,并从军用和民用两个领域对无人机编队的应用现状加以分析.
参考文献
[1]王博.基于STM32的微型无人机飞行控制器研究[D].长春：长春工业大学,2018.
[2]张海星. 四旋翼飞行器建模与控制器设计[D].南昌：华东交通大学,2018.
[3]黄泽满,刘勇,周星,等.民用无人机应用发展概述[J].赤峰学院学报(自然科学版),2014,30（24）：30-32.
[4]沈俊楠.基于小型四旋翼的多无人机编队飞行控制系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2017.
[5]朱旭.基于信息一致性的多无人机编队控制方法研究[D].西安：西北工业大学,2014.
[6]梁亚滨.武装无人机的应用:挑战与影响[J].外交评论(外交学院学报),2014,31（1）：143-156.
[7]刘书林.四旋翼无人机编队飞行的控制策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2016.
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