小型四旋翼无人机硬件结构综述

张瑞辰

【摘 要】随着现代控制技术的快速发展，小型四旋翼无人机的研究和应用受到了越来越为广泛的关注。本文回顾了四旋翼无人机的发展历史，介绍了小型四旋翼无人机的飞行基本原理，从动力系统、传感器系统、飞控系统、通信系统等几个模块出发，全面分析了小型四旋翼无人机的硬件结构及其工作指标和要求，并对其未来的的应用范畴和发展方向做出了展望。

【关键词】无人机 四旋翼 传感器 飞行控制

1 引言

伴随着航空航天技术的快速发展，无人机技术也在快速发展，并逐渐从军用领域进入民用领域，其中最常见的就是四旋翼无人机。四旋翼飞机是一种由十字分布的四个螺旋桨组成的六自由度欠驱动系统，四个由螺旋桨组成的旋翼处于同一水平面上，结构和半径相同[1]。四旋翼无人机因为其小型化、轻量化、结构简单、成本低、可垂直起降同时便于控制，被越来越多地应用于航拍、探测、农药喷洒等领域。

2 四旋翼无人机的发展历史

四旋翼无人机拥有较长的发展历史。1903年莱特兄弟成功试飞人类历史上第一架飞机，四年后，也就是1907年，法国人Breguet兄弟设计并试飞了历史上第一架旋翼飞机Breguet-Richet Gyroplane，该飞行器为四旋翼结构，飞行员坐在中间，在起飞时，飞行器四个端点位置需要工作人员协助才能起飞[2]。虽然飞行情况不是很理想，但是其基本结构与飞行原理与如今的四旋翼无人机类似。其后，在1922年，标致汽车公司的工程师Etienne Oemichen设计出了历史上最早的可以实现悬停的旋翼飞机[2]。

之后的数十年中，四旋翼无人机技术一直没有太大的进展。

不过，进入21世纪以后，随着控制理论、传感器技术和电池技术的蓬勃发展，小型化旋翼无人机的实现成为了可能。国内外高校、研究所和公司相继投入进行小型旋翼无人机的研究。德国的microdrones公司于2005年推出了md-200系列无人机，其结构已经和目前小型四旋翼无人机相差无几[3]。美国的宾夕法尼亚大学、麻省理工学院在旋翼无人机领域拥有很强的实力。我国的大疆创新公司所生产的小型多旋翼无人机已经占据了世界航拍市场过半的份额，其飞控、通信技术也出于业内领先地位。

3 小型四旋翼无人机飞行原理

四旋翼飞机通过调节四个电机的转速来实现升力的变化从而实现对飞行器飞行姿态和位置的控制。四旋翼飞机有四个输入动力，但是可以实现六个状态的输出，具体如图1。

四旋翼飞行器的电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。现规定X轴正方向为前进，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

图1描述了理想状态下四旋翼无人机飞行状态与四个电机输出情况的状况的关系，实际飞行情况还会受到外界风、地面效应、原有飞行状态等影响。

4 小型四旋翼无人机的硬件构成

整个无人机飞行器可以被分为动力系统、传感器系统、飞控系统、通信系统等几个模块。飞控系统是整个无人机的控制核心，传感器系统是无人机获取飞行状态信息的重要单元，通信系统起着连接机上各系统和连接地面站与无人机的作用，动力系统则负责飞机飞行动力的提供。图2为四旋翼无人机硬件结构框图。

4.1 飞控系统

飞控系统或称飞控板主要负责无人机飞行姿态、飞行位置的计算与控制，发送PWM信号给动力系统等。

四旋翼无人机本质上是一个不稳定的系统，所以飞控系统无时无刻不在监视并控制着无人机的飞行状态，将遥控器和地面站的飞行指令转化成对应的PWM信号发送给四个螺旋桨，使飞行器尽可能地满足设定的飞行要求。因而，飞控系统必须具有较强的处理性能和较高的工作频率。

4.2 传感器系统

传感器系统主要负责采集飞行器飞行状态信息，小型四旋翼无人机主要可以分为以下几个传感器单元：姿态测量单元（陀螺儀，加速度计，电子罗盘），位置测量单元（GPS，气压计）。如果说飞控系统是无人机的大脑，那么传感器系统就是无人机的感觉器官。

由于四旋翼无人机各个旋翼之间本身的不完全一致性和存在于旋翼间的复杂气流扰动等因素，无人机的姿态难以做到完全稳定。因而，无人机需要配有姿态测量单元以监测集体姿态并反馈给飞控系统。姿态测量单元中，陀螺仪可以获得相对于当前方向转动角速度，通过对角速度积分即可知道任意时间的姿态角[4]。然而，单一传感器并不可靠。辅以电子罗盘和加速度传感器则可较为准确的知道无人机的具体姿态信息。对于位置测量单元来说，需要能够满足小型无人机室内和室外使用两种场景。室内场景主要通过视觉技术定位，本文讨论的是室外应用场景。随着卫星定位技术的发展，目前无人机通常使用消费级的GPS作为位置测量方案。消费级GPS普遍可以达到米级的定位精度，这并不能完全满足无人机对于高度信息的要求。一些近地、近水的飞行动作要求无人机有更精确的高度控制，人们通常使用高度气压计实现这一目标。其工作原理很简单，大气压随着高度增加而减小，通过测量地表气压并作为基准，无人机就可以很精确的知道在某处的高度。

4.3 通信系统

通信系统负责主要接收遥控器的控制指令，因为大部分小型四旋翼无人机还配有地面站，通信系统还负责与地面站的通信。

控制四旋翼无人机的方式有很多种，由于飞行遥控器控制距离远、信道多、抗干扰能力强，所以飞行遥控器是主流的控制方式。遥控器往往配有对应的接收机。遥控器的通信链路由它们构成。另一方面无人机通常需要和地面站进行通信，回传飞行参数和航拍画面。常用的通信方式有无线数传模块和图传模块。

4.4 动力系统

动力系统是支持无人机飞行的重要部分。动力系统一般由电机、电子调速器和螺旋桨组成。电子调速器可以将飞控系统的PWM信号转化为输出给电机的电压，不同占空比的PWM信号对应于不同的输出电压大小。一般而言，要求遥控器油门在中点时，四个电机产生的升力刚好和系统自重相当，可以实现飞机的悬停。

4.5 其他硬件单元

无人机上还配有电源模块实现对整机的供电。有些四旋翼无人机还配有如云台等的特殊任务单元等模块，以满足不同类型、不同用途的无人机的特定需求。

5 总结与展望

现如今，旋翼无人机技术已经被广泛的应用于我们的生活之中，最常见的莫过于旋翼无人机航拍、无人机快递。小型四旋翼无人机技术也越来越成熟。不过，现有的无人机性能仍有很大的提高空间。如何降低无人机的自重和功耗，提高无人机飞行时间和飞行速度是一个重要的研究方向。另一方面随着应用场景的增多，对无人机飞行控制和飞行状态监测的实时性、飞行稳定性的要求也越来越高。除了对于无人机单体的要求外，多机协同、集群飞行也是目前研究的一个热点。

旋翼无人机技术以其低成本、小型化的优点必然会在以后更广泛的应用于我们的日常生活中。

参考文献：

[1]聂博文，马宏绪，王剑，等.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.

[2]王树刚.四旋翼直升机控制问题研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2006.

[3]张天航，白金平.旋翼式无人机的发展和趋势 Development and Trend of Unmanned Rotorcraft[J]. Artificial Intelligence and Robotics Research，2013.

[4]梁阁亭，惠俊军，李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹，2006（4）.