四旋翼無人機的控制系統,遙控及用途分析
目前市面上的旋翼無人機分為三旋翼無人機、四旋翼無人機、六旋翼無人機、固定翼無人機等,與單旋翼式無人飛行器相比,四旋翼飛行器布局簡單、易于控制、操作靈活,在飛行穩定性和可操縱性上更加突出。此外,噪聲小,制造精度低,隱蔽性好以及在狹小空間中完成飛行任務等優點,使得四旋翼擁有更加大的應用潛力。
法國parrot公司開發的AR.Drone2.0四旋翼無人機具有良好的操作性,可采用智能手機控制其飛行到30米的高度。機載高性能攝像機,能夠實現在飛行中拍攝,同時,用戶可對其進行遠程遙控,調整飛行姿態和飛行軌跡。AR.Drone2.0內置1GHz ARM Cortex A8處理器、800MHz DSP、1GB DDR RAM,3軸陀螺儀、3軸加速度計、3軸磁強計、電子式氣壓傳感器、超聲波傳感器,4個智能直流電機,為實現機體的精準控制和平穩飛行提供硬件保障。通過采用優化的控制算法,能夠實現垂直起飛、垂直降落、空中盤旋和空中翻轉等飛行動作。該無人機最大飛行高度為30米,最大飛行半徑為50米,最快飛行速度可達30m/s。
與歐美發達國家相比,我國的小型四旋翼無人機的研究和發展起步相對較晚,但是隨著小型四旋翼無人機技術的成熟和應用需求的增加,我國許多高等院校、科研機構、高新技術企業加入到小型四旋翼無人機的研發和制造大潮中來,并取得了豐碩的研究成果。
深圳大疆創新科技公司生產的Phantom系列小型航拍四旋翼無人機在國內外銷售業績很好。該公司的經典機型主要用于航拍。機載相機擁有1200萬像素,可以實現高清晰度成像,擁有4K高清視頻錄像的幀率為30幀/秒。同時采用創新的航拍防抖技術,在復雜的航拍狀況下,三軸云臺可以使相機始終保持平穩,以獲取平穩流暢的畫面。當其在室外飛行時,借助機載的GPS和GLONASS衛星導航系統和智能飛行控制系統,可以實現準確飛行并可以自動返航。當其在室內飛行時, 憑借先進的視覺定位系統和高精度超聲波傳感器,通過實時的圖像分析和高度測量,實現室內的精確定點懸停和平穩飛行。高精度自緊旋翼性能突出,為實現特定的飛行動作提供穩定、準確、快速的動力。Phantom3能自動記錄重要的飛行參數,例如航點、航線、飛行時間、飛行距離、飛行高度等信息,并實時存儲拍攝的照片和視頻等資料,以便于后期檢索。Phantom3的電池具有完善的保護功能和監測功能,保證飛行安全并能夠實現安全返航。遙控器工作在2.4GHz-2.8GHz頻段,在無遮擋的情況下,遙控距離約3000米。APP有iOS版本和Android版本,支持多種移動設備,通過智能手機或者平板電腦,用戶可以實時查看拍攝的視頻圖像。
四旋翼無人機控制系統能夠利用自動控制系統,能夠對飛行器的構形、飛行姿態和運動參數實施控制,其載有加速度計、陀螺儀、氣壓計、羅盤等傳感器。由它來控制各個電機的轉速進而控制飛機的姿態,加上GPS或差分GPS可完成定點懸停,自主航線飛行等功能。四旋翼無人機在飛行控制上使用直接力矩,實現6自由度(控制和姿態)控制,具有多變量、非線性、強耦合和干擾敏感的特性。該飛行器的四個旋翼和四個電機分別固定在具有中心對稱結構的十字架結構機身的四個端點。改變四個電機的轉速從而改變升力,實現四旋翼飛行器的軌跡和姿態控制。四旋翼無人機控制系統的基礎是四旋翼無人機的姿態的實時檢測,姿態檢測部分包括對四旋翼無人機的姿態角以及姿態變化速率的測量。微小型四旋翼飛行器是一種非完整約束的二階欠驅動強耦合系統,在飛行過程中,四旋翼無人飛行器可以通過調節四個螺旋槳的轉速直接控制其姿態角度和飛行高度,而對于飛行器的水平位置,只能通過飛行器姿態角度與水平位置之間的耦合關系來間接控制,因此實現四旋翼無人飛行器三個方向的位置控制具有較大的難度。除此之外,由于四旋翼無人飛行器體積小并且重量輕,在飛行過程中空氣阻力和阻力矩對其影響比較大,因此在設計飛行控制器時還需要考慮到時變的外部干擾問題。除外界擾動以外,在每次飛行中,不同的負載導致飛行器的重量以及轉動慣量也都會有很大程度上的差別。
關于四旋翼無人機的遙控,通道就是可以遙控器控制的動作路數,比如遙控器只能控制四軸上下飛,那么就是1個通道。四軸在控制過程中需要控制的動作路數有:上下、左右、前后、旋轉 所以最低得4通道遙控器。而遙控器上油門的位置在右邊是日本手、在左邊是美國手。所謂遙控器油門,在四軸飛行器當中控制供電電流大小,電流大,電動機轉得快,飛得高、力量大;反之同理。判斷遙控器的油門很簡單,遙控器2個搖桿當中,上下板動后不自動回到中間的那個就是油門搖桿。
四旋翼無人機用途方面,小型四旋翼無人機在民用領域的應用越來越廣泛,已在交通、航拍、農業、應急救援和災害監測等領域獲得成功應用。交通方面,通過在城市上空巡航對交通狀況進行實時監測,然后,通過無線通信技術將交通信息發送給交管部門,當發生交通事故或交通堵塞時,可以及時獲取第一手的現場圖像資料,加快事故處理和恢復交通的速度。航拍方面,小型低空無人機通過搭載高清攝像機可以實現婚禮現場、新聞節目、測繪測量和影視娛樂等場合的航拍工作。農業方面,由于無人機具有輕便小巧,機動靈活,起降不需要專用跑道等突出優點,在農藥噴灑等場合應用前景廣闊,這將對于提高農業自動化,降低農民勞動強度,減少農藥對人身健康的損壞意義重大。應急救援方面,在2008年四川汶川地震中,民政部門使用無人機采集災區相關數據來評測災情,提高了救援效率和救援效果。地質災害監測方面,使用無人機能夠降低自然地理條件對地質調查工作的不利影響,大幅提高地理信息的獲取速度,降低地質災害調查的工作強度。
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