迷你六轴飞行器的研究

2019-02-13徐铭伟任建新

数字通信世界 2019年2期

刘畅，徐铭伟，任建新

（1.华北理工大学电气工程学院，唐山 063210；2.华北理工大学信息工程学院，唐山 063210）

六旋翼作为一种具有特殊结构的旋转翼无人飞行器。与固定翼无人机相比，它具有体积小，垂直起降，机动性强，承载能力强，可快速灵活地向各个方向进行操纵的特点。结构简单，易于控制，可以执行各种特殊和危险的任务。因此，它在军事和民用领域具有广阔的应用前景，如低空侦察，灾害现场监测和救援等。

六轴飞行器具有星形结构用于平衡每个电机的功率以获得上升推力。它可以更灵活地在空中执行各种飞行动作。由于每个转子在旋转期间产生旋转，飞行器使用三对相对转动的叶片来抵消由叶片旋转产生的旋转扭矩。六轴飞行器的转向通过叶片的加速和减速来实现，其中三个旋转方向是相同的。使得人们可以更加灵活的控制飞行器。历史上的飞行器由于机械结构复杂，体积较大，过于笨重较难控制等原因，基本不能商用，如今的飞行器由于微型控制系统的快速发展，小体积轻重量的多轴飞行器得以发展，稳定的多轴飞行器被广泛的使用和开发。

1 技术主要解决问题

1.1 微型化设计的整机优化问题

如今，多轴飞机正变得越来越小型化。对于多轴飞行器来说，在设计其整体的硬件电路和软件时要考虑其飞行环境，以及稳定与成本之间的关系，迷你化，便携化等。这些方面在一定程度上存在矛盾。我们需要结合实际以达到整体的平衡和性能的最优化。因此，多轴飞行器在整机的优化方面上是对新材料，新算法，新结构的一个新挑战。

1.2 能源与动力系统的效率问题

研发出更轻、更小、容量更大、放电能力更强的电池以及更轻、更小、扭矩更强、转速更快、耗能更低的电机可以整体提高六轴飞行器的飞行效率。现如今阶段，需要选择更轻，更小，容量相对较大的电池，以及选择更有效率的电机进行飞行器的组装。

1.3 模型准确性与控制方法有效性的问题

六轴飞行器在飞行时会受到风力等其他外力的影响。因此，建立一个稳定的数学模型是相对较困难的。而且在飞行过程中，由于不可避免的碰撞等因素，桨叶会发生不同程度的变形，导致拉力与转速之间的数学模型更难建立。与此同时传感器的精度、温漂以及震动给传感器带来的影响，使传感器不能精准的描述出飞行器此时的状态。这些数学模型的不精准性使得各种算法不容易实现，现如今的算法都是通过精简的数学模型建立的。以及多信息采集来忽略无用的信息是多轴飞行器发展的必然方向。

滑膜控制，鲁棒控制和模糊控制具有强大的处理不确定性和抗干扰性。非线性控制可以实现具有良好跟踪性能的鲁棒控制算法，但对模型具有较高的精度，难以在实际应用中实现。虽然PID控制过于传统，但它简单实用，PID控制方法常用于实际飞行；基于知识的控制方法生成较晚，不依赖于特定的模型，但需要大量的专家经验数据，这些数据正处于快速发展的过程中。

2 总体结构

六轴飞行器具有三对相对的叶片，每对叶片产生的反扭矩将相互抵消，六个轴将处于稳定状态。线运动是指由于运动方向上的力的机械分解和主体沿力的方向的运动引起的姿态角的变化引起的身体运动。六轴飞行器通过相应的电机控制叶片旋转的速度，以调整飞机的平移和旋转，最终完成它的飞行姿态和飞行动作。

运动原理，以升降运动为例。提升运动是六轴飞行器上下运动沿机身的Z轴。飞机的六个叶片开始旋转（这假设叶片在机身上仅具有z轴力）。当叶片对机身的拉力超过机身的重量时，飞机将在延伸部z中执行上升运动。当六个叶片相对于机身的张力小于机身的重量时，飞机执行下降运动。当且仅当叶片提供的张力等于机身的重量时，飞机将在z轴上的某个位置悬停，实际上在空中盘旋。以上的状态均不考虑其他外力的影响。同时，它考虑俯仰运动，滚动运动，偏航运动，前后平移运动以及左右平移运动。

六轴飞行器的姿态计算是通过传感器收集相应的数据来描述机身的当前位置和机身的状态。在当前的姿态计算中，角度通常由陀螺仪和加速度计拟合，最终获得更准确的飞行姿态。大多数传感器的融合数据相对较大，这需要具有强大计算能力的嵌入式系统。

3 结束语

六轴飞行器是一种较新型的飞行器，目前国内外的发展迅速，在各个领域中都起到了重要的作用，并且将来会发展到更广阔的空间。随着技术的发展，多轴飞机将朝着小型化和自动化的方向发展，并能更好地融入各个领域。对六轴飞行器的理论知识进行概述，选择合适的算法和控制方案来控制飞行器。随着科学的发展，六轴飞行器还可以得到更好的改进，随着时间的推移，会有更好的产品出现在人们的面前。