四旋翼飞行器航迹控制原理与操控

魏铂淞　张启瑞

摘 要 四旋翼飞行器已成为发展和应用最为广泛的一类商用娱乐型飞行器，正确掌握四旋翼飞行器航迹控制与操控的关系，对于飞行安全非常重要。为此，本文在阐释四旋翼飞行器飞行控制系统结构与工作原理的基础上，用图示方式给出了四旋翼飞行器的航迹控制流程，进而提出了保证安全飞行的操控要求。

关键词 四旋翼飞行器 自动飞行 航迹控制

0引言

四旋翼飞行器是一种有着四个旋翼的无人飞行器，也被称作四旋翼无人机、空中机器人等。由于这种无人飞行器具有操控灵活、价格低廉、用途广阔等特点，正在受到越来越多的人们的喜爱和重视。近年来，四旋翼飞行器已在城市商业、服务、防灾救援等领域展现了巨大的应用前景，诸如中国大疆、美国谷歌等许多世界著名科技公司都开始将四旋翼飞行器作为主流发展产品。

四旋翼飞行器是一种无人飞行器，要确保其安全飞行和完成任务，不仅需要有地面操控人员的准确操作，还要有飞行器自身机载的飞行控制系统。地面操作人员可以通过遥控器对飞行器发出飞行指令，控制飞行器改变或调整飞行姿态。机载飞行控制系统则可以根据地面操作手给出的飞行指令，自动控制飞行器的姿态和航迹，确保飞行器的安全飞行。或是根据事先设定好的任务规划程序，自主控制飞行器完成期望的飞行任务。

对于四旋翼飞行器的飞行安全来说，需要设计和操作人员必须正确掌握四旋翼飞行器航迹控制与操控的关系。为此，本文将分析四旋翼飞行器的航迹控制原理，对相应的操控问题等进行讨论。

1四旋翼飞行器运动原理

四旋翼飞行器不同于传统形式的配有主螺旋桨和尾桨的直升机，它有四个相同形式的小螺旋桨，或称旋翼，如图1所示。这四个旋翼分别由4个独立的电机驱动。四旋翼飞行器基本的飞行原理是，通过调节四个电机的转速，改变相应的旋翼所产生的升力和扭矩，从而使飞行器整体的升力大小和方向发生改变，进而达到控制四旋翼飞行器姿态、改变航迹的目的。对于四旋翼飞行器来说，4个旋翼的不同组合，可以构成飞行器的六种运动状态，即俯仰、滚转、偏航、悬停、前进和侧移。具体的对应关系是：当4个旋翼的转速等量增大或减小时，将使飞行器获得整体上升或下降的力，产生向上下降运动；增大或减小1#旋翼的转速，同时等量减少或增大对应的3#旋翼的转速，将导致飞行器的俯仰运动；增大或减小2#旋翼的转速，同时等量减少或增大4#旋翼的转速，将产生滚转运动；等量增加或减少1#和3#旋翼的转速，同时等量减少或增大2#和4#旋翼的转速，则产生偏航运动。

2飞行控制系统结构与工作原理

四旋翼飛行器的飞行控制系统与传统飞控系统的结构基本相似，但需要扩展无线通讯接口，用于接收地面操控人员发出的控制指令，同时将飞行器状态数据和机载照相机等获得的图像传送到地面监控系统。

在飞控系统的构成中，惯性测量单元用于感知飞行器平动和转动的速度，获得飞行器的空间姿态和位置。通常，IMU包括陀螺仪和加速度计两类传感器，陀螺仪用于测量飞行器绕俯仰、倾斜和航向轴的旋转角速度，得到三个姿态角；加速度计用于测量飞行器在三个方向上的飞行加速度，得到飞行器的速度和位移。数字罗盘也是用于测量四旋翼飞行器姿态的传感器，可以作为惯性测量单元IMU的备份和补充。高度计用于测量飞行器的高度，与IMU的测量数据配合，可以得到飞行器的空间位置。GPS接收机用于接收GPS信号，进而也可获得飞行器的速度、位置等信息。通过GPS与IMU的组合，可以获得高精度的导航信息。主控制器用于解算控制律，获得对四个电机的转速控制信号，进而实现对四旋翼飞行器运动的控制。

从功能上可以将飞控系统划分为俯仰角控制通道、滚转角控制通道、偏航角控制通道和高度控制通道，分别对应飞行器的姿态和高度的稳定与控制。以俯仰角控制为例，主控制器根据传感器测量得到的俯仰角和俯仰角速度信号，按照设定的俯仰角控制律计算得到实时的控制量，并转化为对应四个电机的PWM控制信号，驱动四个电机按照期望的方式旋转，从而实现对俯仰角的稳定控制。在姿态控制基础上，即可实现对飞行器航迹的稳定与控制。

3飞行器航迹控制方法与操控

飞行器的航迹控制包括高度控制和航路点控制。高度控制是在俯仰控制的基础上实现的，俯仰控制是内回路，高度控制是外回路。在俯仰姿态稳定的基础上，再通过期望高度与实际高度的差值形成高度控制信号，作为俯仰通道的控制输入，进而实现对高度的稳定与控制。

航路点控制必须与航路规划数据进行信息交联。航路规划数据给出飞行器要到达的下一个航点，飞控系统的主控制器根据航点的经纬度、高度等信息，解算出飞行器的运动和姿态变化指令。该指令作为飞控系统各个功能通道的输入信号，使各通道按照期望的要求进行控制，从而确保飞行器到达设定的航路点。航路点数据是通过航路规划程序得到的，它是一系列数组，每个数组包括一组描述空间点位置的经度、纬度和高度数据，以及描述飞行器在该点任务行为的数据。

为了保证四旋翼飞行器能够按照期望的航线飞行，还需要飞行前进行充分的航路规划，飞行中实施正确的操控。完整的四旋翼飞行器是一套系统，除了带有飞控系统的飞行器外，还包括遥控器、数传系统和地面控制站。在飞行前，首先要根据任务要求在地面控制站完成航路规划，并将航路数据输入到飞控系统中。所谓航路规划就是利用航路规划程序，为飞行器确定出若干组从起点到达终点的、满足必要约束的安全航路。航路规划程序是一个安装于地面控制站中的计算机软件系统，包括数字地图、航路规划算法、地理信息系统等要素。航路规划程序的输出就是一系列的航路点数据。这些航路点数据被事先输入到飞行控制系统的专门模块中。在自动飞行过程中，飞控系统的通过读取这些数据来认知飞行航向和任务要求，保证飞行器按照期望的航迹飞行。另外，在飞行过程中，尽管飞行器可以按照预定的航路点自动飞行，但地面操控员要实时监控飞行器的飞行状态，一旦出现危险状态，如遇到突然出现的障碍物时，必须能够尽快切换到手动控制，用遥控器操控飞行器迅速脱离危险。图3示意了四旋翼飞行器的组成与航迹控制信息流。

4 结语

低成本高精度的自动飞行控制技术是小型四旋翼飞行器迅猛发展的重要技术保障。对于市场上各种类型的、大大小小的商业化四旋翼飞行器，既可以自主开发适合自身需要的飞行控制系统，也可以直接利用商用飞控产品进行部分参数调整。本文在阐释四旋翼飞行器飞行控制系统结构与工作原理的基础上，给出了飞行器的航迹控制流程，提出了保证安全飞行的操控方法。但对于四旋翼飞行器控制系统的开发和飞行操控来说，必须进行大量的实践，才可以更好地理解这些原理和要求。

参考文献

[1] 魏瑞轩，李学仁.先进无人机系统与作战运用[M].国防工业出版社，2014.

[2] 侯永锋，陆连山，高尚德，等.基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究[J].机械科学与技术，2012，31（3）：359-362.

[3] 冀明，卢京潮.基于Cortex-M4的四旋翼飞行控制系统设计[J].计算机测量与控制，2013， 21（7）.

[4] 刘杰.四轴飞行器研究与设计[D].南京邮电大学，2013（4）.