目錄TOC\o"1-3"\h\u28585 124932 27552 320596 328717 423540 66591 930508 103051 1112872 113665 1222022 1220460 13474 145406 142140 1528399 153454 1511831 163759 165643 1729598 1830238 18通過介紹多旋翼無(wú)人機(jī)以及相關(guān)技術(shù)，主要闡述了多旋翼無(wú)人機(jī)的基本組成、多旋翼無(wú)人機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、飛行原理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、控制系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、測(cè)距方法、特性分析以及通信鏈路各個(gè)方面將多旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。多種的同軸翼和旋翼直升大型無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定義:一種可以具有三個(gè)或者以上更多種的同軸翼和旋翼的大型無(wú)人直升機(jī)也被我們稱為多旋翼直升大型無(wú)人機(jī)，也就是一種可以被稱之為多軸翼的旋翼直升無(wú)人機(jī)。其中轉(zhuǎn)子是指提供動(dòng)力的螺旋槳，軸是指供動(dòng)力的。無(wú)人機(jī)一般按軸數(shù)和螺旋槳數(shù)分為若干軸和若干螺旋槳。每個(gè)軸上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子并產(chǎn)生推力。螺旋翼的機(jī)身整體高度螺距也較為固定，不如普通的旋翼直升機(jī)那樣具有任何高度可變性。通過同時(shí)改變各個(gè)飛機(jī)旋翼之間的相對(duì)角和轉(zhuǎn)速，就可以能夠通過同時(shí)改變單個(gè)翼軸的橫向推進(jìn)和阻力系數(shù)來(lái)精確控制各種飛機(jī)的旋轉(zhuǎn)航程和飛行軌跡。四軸(多軸)旋翼飛行器也被廣泛稱為四軸式旋翼(多軸)飛機(jī)。它們具有四個(gè)(多)孔的螺旋槳，一個(gè)在前面，一個(gè)在左邊，一個(gè)在后面。其中一個(gè)是在一臺(tái)位于一個(gè)發(fā)射控制器電源管理系統(tǒng)中心的一個(gè)自動(dòng)發(fā)射遙控發(fā)電機(jī)上和一個(gè)主控板上的發(fā)射接收器上感受到了另外一條分別來(lái)自于一個(gè)發(fā)射遙控器和一個(gè)發(fā)射機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)指示電路信號(hào)，在一個(gè)發(fā)射接收器上感受到四個(gè)數(shù)字控制信號(hào)指示電路信號(hào)后通過一個(gè)數(shù)字控制指示信號(hào)總成天線系統(tǒng)可以同時(shí)去除和自動(dòng)控制四個(gè)新的發(fā)射電調(diào)，通過這個(gè)數(shù)字控制信號(hào)總線可以去自動(dòng)控制四個(gè)新的電氣控制開關(guān)，電氣的數(shù)字控制信號(hào)開關(guān)將四個(gè)控制器的命令轉(zhuǎn)換成四個(gè)電機(jī)的額定工作量和轉(zhuǎn)速，從而完成操作員的控制要求。多旋翼無(wú)人機(jī)體系[4]系統(tǒng)主要包括旋翼飛行器系統(tǒng)、地面體系、任務(wù)載荷及綜合保障體系。詳細(xì)組成部分如圖所示。圖1.1多功能旋翼小型無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制飛行系統(tǒng)主要由旋翼飛行器來(lái)負(fù)責(zé)控制，外部設(shè)備，遙控設(shè)備以及地面控制端組成[5]。飛行控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱飛控。類似于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的控制操作系統(tǒng)，飛行器的控制操作系統(tǒng)一般主要組成包括以下幾個(gè)部分:燈光主控控制單元、慣性運(yùn)動(dòng)測(cè)量控制單元、燈光指南針控制模塊、燈光指示燈控制模塊等主要零部件。主控控制單元系統(tǒng)是大型飛行器的控制管理系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)和控制核心，通過它將自動(dòng)、自動(dòng)指南針、舵機(jī)和自動(dòng)遙控語(yǔ)音接收器等主控設(shè)備直接自動(dòng)接入安裝到大型飛行器的控制管理系統(tǒng)中從而基本實(shí)現(xiàn)了大型飛行器的全機(jī)自主穩(wěn)定駕駛和自動(dòng)飛行的控制功能。它不僅是一個(gè)三軸運(yùn)動(dòng)主體慣性姿態(tài)角度運(yùn)動(dòng)測(cè)量輔助軟件功能單元，包含軸角度運(yùn)動(dòng)慣性加速度計(jì)、軸慣性角度運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)和三軸運(yùn)動(dòng)氣壓慣性角度運(yùn)行高程運(yùn)動(dòng)慣性角度測(cè)量三個(gè)軟件單元，是一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)和低精度可靠地實(shí)時(shí)自動(dòng)感應(yīng)現(xiàn)代航空載人飛行器的三軸運(yùn)動(dòng)慣性姿態(tài)、角度、速度和三軸氣壓運(yùn)動(dòng)高程的重要運(yùn)動(dòng)元器件也是系統(tǒng)中的集合體，在目前作為航空飛行器的運(yùn)動(dòng)測(cè)量輔助的重要軟件功能中它也使它一直充當(dāng)著一個(gè)地位極其重要的運(yùn)動(dòng)主體系統(tǒng)角色。一個(gè)飛行運(yùn)動(dòng)指南針縱向運(yùn)動(dòng)控制模塊，包含一個(gè)飛行縱向運(yùn)動(dòng)控制模塊和一個(gè)飛行指南針橫向運(yùn)動(dòng)控制模塊，用于根據(jù)準(zhǔn)確性快速地進(jìn)行確定自動(dòng)控制飛行器的橫向運(yùn)動(dòng)飛行方向和確定飛行器的經(jīng)緯度。對(duì)于加速汽車回航失控安全進(jìn)行保護(hù)自動(dòng)回航加速汽車回航精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向定位自動(dòng)懸停等多種功能的正確實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。指示燈控制模塊，用于幫助飛行員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示自己的戰(zhàn)機(jī)飛行具體狀態(tài)，是在實(shí)際飛行中必不可少的，它不僅能夠有效地用于幫助飛機(jī)駕駛員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握自己飛行的具體狀態(tài)。利用傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行感應(yīng)并修正，用來(lái)完成多旋翼無(wú)人機(jī)的各種飛行動(dòng)作，它是多旋翼無(wú)人機(jī)最重要的一個(gè)系統(tǒng)。飛行精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)智能控制姿態(tài)處理技術(shù)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是通過高效的全方位自主智能控制運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)算法和系統(tǒng)控制內(nèi)核，能夠準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)感應(yīng)并自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和實(shí)時(shí)輸出各種類型民用飛行器的精準(zhǔn)飛行運(yùn)動(dòng)諸如飛行量和姿態(tài)等基本運(yùn)動(dòng)信息，再通過大型飛機(jī)自動(dòng)控制的各種智能運(yùn)動(dòng)單元件技術(shù)來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)大型飛機(jī)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)飛行姿態(tài)定位自動(dòng)控制懸停和同時(shí)保持大型飛行器的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)自主平穩(wěn)。之前的無(wú)人機(jī)沒有飛行控制系統(tǒng)，飛手需要不論在什么時(shí)候，只要在操控?zé)o人機(jī)，就必須關(guān)注飛行器的動(dòng)向，眼睛完全不可能離開飛行器，每一時(shí)刻都處于高度緊張的工作狀態(tài)。專業(yè)飛手必須經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力，才可以控制平穩(wěn)地飛行器飛行，但是，這個(gè)難度和要求特別高，飛手同時(shí)需要非常豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。在操控?zé)o人機(jī)時(shí)，人眼能看到的距離是有限的，即使能飛手可以使無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定，但是控制的精度也很可能滿足不了航拍的需求，控制距離越遠(yuǎn)，控制精度越差。另外，面臨不同的拍攝環(huán)境或條件以及不同的航拍需求，只單單依靠飛手操控?zé)o人機(jī)飛行更是困難重重，甚至根本不可能實(shí)現(xiàn)。所以飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)目前實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操控和精準(zhǔn)飛行的重要系統(tǒng)。多功能旋翼微型無(wú)人機(jī)的綜合動(dòng)力系統(tǒng)主要部分包括鋰電池，螺旋槳，電子自動(dòng)調(diào)速器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。多旋翼無(wú)人搭載的電池一般選用鋰電池，該類型的鋰電池能量?jī)r(jià)格比標(biāo)高，具有較高的存儲(chǔ)能量密度，使用壽命長(zhǎng)，額定工作電壓高，具備較強(qiáng)的功率承受力，提高了多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)長(zhǎng)。螺旋槳是多旋翼無(wú)人機(jī)的重要部件，由于各種機(jī)翼上下氣流的速度不同，因而在機(jī)翼上產(chǎn)生不同的壓強(qiáng)、壓力，最終為無(wú)人機(jī)產(chǎn)生了升力。在飛機(jī)安裝時(shí)，螺旋槳較凸一面，是飛機(jī)產(chǎn)生推動(dòng)螺旋槳較大拉力的一個(gè)主要方向，應(yīng)該朝著大型飛機(jī)高速前進(jìn)的一個(gè)主要方向，螺旋槳較厚的的一端，是推動(dòng)螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)主要方向。電調(diào)器的全稱是變速電子驅(qū)動(dòng)調(diào)速器，它根據(jù)調(diào)速控制器的信號(hào)參數(shù)來(lái)自主驅(qū)動(dòng)控制調(diào)節(jié)一臺(tái)變速電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)無(wú)人機(jī)上的主要工作功能也就是將高頻直流電電壓變換為高頻交流電，控制無(wú)人發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速。根據(jù)多功能大型旋翼機(jī)和大型無(wú)人機(jī)自動(dòng)控制的交流電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將單相動(dòng)力電池直流驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)輸出轉(zhuǎn)變成一定驅(qū)動(dòng)工作頻率的三相射頻交流驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)輸出，用于控制調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制器并驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)的一定工作轉(zhuǎn)速。無(wú)人機(jī)的飛行工作驅(qū)與動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)組成部分及其組成的主要零部件系統(tǒng)是否相互自行人工匹配，動(dòng)力系統(tǒng)與工作驅(qū)動(dòng)機(jī)和整機(jī)之間的的關(guān)系系統(tǒng)是否相互自動(dòng)自行匹配，都直接地說(shuō)就會(huì)嚴(yán)重影響著一臺(tái)大型無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行工作效率、穩(wěn)定性，所以說(shuō)這種好的工作動(dòng)力系統(tǒng)至關(guān)重要。無(wú)刷電機(jī)它的電動(dòng)轉(zhuǎn)子外殼采用的是永磁性導(dǎo)軌或永磁鐵絲，連同其它的外殼一起和自動(dòng)輸入機(jī)的軸直接交互相連，定子本身就是一個(gè)帶有自動(dòng)換向功能電動(dòng)機(jī)的換向線圈，去掉圈上有些毛刷點(diǎn)擊后就可以直接用來(lái)使軸交替地自動(dòng)變換成對(duì)輸入軸和電磁場(chǎng)的自動(dòng)換向這種電動(dòng)機(jī)叫無(wú)刷。無(wú)刷電機(jī)不僅具有傳動(dòng)發(fā)熱量小、壽命長(zhǎng)、噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)舒暢、維修方便成本更低等諸多優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷電機(jī)由三相直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一并進(jìn)行三相供電，將三相直流電電壓轉(zhuǎn)化成一為三相工頻交流電，最后通過產(chǎn)生一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。多功能大小旋翼大型大小無(wú)人機(jī)的四個(gè)小型大小大的旋翼大型大小電動(dòng)機(jī)對(duì)稱地各別位于分布在整個(gè)無(wú)人機(jī)和機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向運(yùn)動(dòng)飛行方向，四個(gè)大的大小旋翼大型大小電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于同一一定方向高度的四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向平面，并且四個(gè)大的大小旋翼大型大小電動(dòng)機(jī)的機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其主體安裝材料和整個(gè)無(wú)人體和機(jī)體的四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向半徑都相同，四個(gè)大型大小旋翼的自動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)稱地分別位于安裝在四個(gè)旋翼無(wú)人機(jī)體和機(jī)翼上的支架端，支架中間的一個(gè)固定空間所在位置上就可以同時(shí)用于安放所有旋翼飛行員和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的所有計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備，結(jié)構(gòu)主體材料安裝形式及其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如一條框，如圖所示。圖1.2多旋翼無(wú)人機(jī)的主要機(jī)械系統(tǒng)指的是多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)架上的部分，用來(lái)搭載硬件設(shè)備。同樣多旋翼的無(wú)人機(jī)架也直接決定了其飛行持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，多旋翼無(wú)人機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是由一個(gè)中心板，力臂和腳架組成。中心板上可以承載著多種單旋翼大型無(wú)人機(jī)負(fù)載控制飛行系統(tǒng)的其它各種負(fù)載控制裝置。多功能旋翼輕型無(wú)人機(jī)的旋翼腳手架設(shè)計(jì)是專門用來(lái)幫助加大旋翼無(wú)人機(jī)起降到接近地面的飛行距離，在無(wú)人機(jī)下降過程中為無(wú)人機(jī)提供緩沖作用，減小下降時(shí)所產(chǎn)生的沖擊力，并且可以在腳架安裝拍攝設(shè)備。多旋翼無(wú)人機(jī)遙控裝置和地面監(jiān)視器的設(shè)備，是用來(lái)操縱無(wú)人機(jī)的飛行，用來(lái)完成設(shè)定的飛行任務(wù)。無(wú)人機(jī)遙控器，作為飛手操控?zé)o人機(jī)的工具，極為重要。它指的是一種集航空任務(wù)路線規(guī)劃、任務(wù)信息回放、實(shí)時(shí)飛行監(jiān)控、數(shù)字地圖、通信管理數(shù)據(jù)鏈在內(nèi)的集運(yùn)行控制、通信、數(shù)據(jù)處理于三位一體的航空綜合管理能力，是整個(gè)航空無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的綜合指揮和運(yùn)行控制管理中心。遙控器通常包括開關(guān)按鈕、遙控天線等基本的裝置，如圖所示。圖1.3無(wú)人機(jī)地面控制站的作用是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中非常重要的一部分，是地面操作人員直接與無(wú)人機(jī)交互的渠道。地面站系統(tǒng)應(yīng)具有下面幾個(gè)典型的功能:1.飛行監(jiān)測(cè)功能:無(wú)人機(jī)通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸鏈路向無(wú)人機(jī)提供當(dāng)前的狀態(tài)信息。地面站將保存所有的飛行數(shù)據(jù)，并用虛擬儀器或其它控件顯示主要數(shù)據(jù)信息，供地面作業(yè)人員使用參考。同時(shí)，根據(jù)飛機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出實(shí)時(shí)控制命令，控制無(wú)人機(jī)的飛行。1.地圖實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)功能:根據(jù)一臺(tái)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)母鞣N經(jīng)緯度位置信息，在一張電子地圖上準(zhǔn)確確地標(biāo)出一臺(tái)無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，還可以對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行路線進(jìn)行規(guī)劃，觀察無(wú)人機(jī)的飛行性能。如圖所示。3.任務(wù)回放功能:根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有保存的飛行數(shù)據(jù)，在一次任務(wù)完成后，通過返回回放功能，可以詳細(xì)地觀察到任務(wù)執(zhí)行過程中的每個(gè)細(xì)節(jié)，檢查出一次任務(wù)的執(zhí)行效果。4.天線控制功能:地面控制站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線的中心軸角，并根據(jù)無(wú)人機(jī)天線回放的信息對(duì)天線進(jìn)行調(diào)零，使其始終準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)飛機(jī)，跟蹤整個(gè)無(wú)人機(jī)的飛行。目前適配于PIXHAWK飛控[18]的地面站主要有兩款，一款是如圖1.4所示。所示軟件是由位于蘇黎世德國(guó)聯(lián)邦應(yīng)用理工大學(xué)應(yīng)用計(jì)算機(jī)工程視覺與立體幾何科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的基于全球地面地形監(jiān)測(cè)的監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件：aqgroundcontrol。圖1.4另一款是如圖1.5所示的由MichaelOborne及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的地面控制系統(tǒng)軟件MissionPlanner。這兩款地面站都顯示可以清楚顯示正在作業(yè)的多旋翼無(wú)人機(jī)的速度，高度，電池電壓，GPS定位，GNSS星數(shù)等。并且實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行軌跡等，兩者都是基于Mavlink協(xié)議開發(fā)的。圖1.5圖1.6多旋翼無(wú)人機(jī)也由電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，使螺旋槳能夠產(chǎn)生一定的升力和飛行。例如，四旋翼無(wú)人機(jī)，當(dāng)四個(gè)螺旋槳的總升力等于飛機(jī)的總重量時(shí)，飛機(jī)的升力與重力平衡，飛機(jī)可以在空中盤旋。但多旋翼的動(dòng)力系統(tǒng)與固定翼和直升機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)完全不同。它們不是通過改變翼展和螺距來(lái)改變姿態(tài)，而是通過改變螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)改變姿態(tài)。多旋翼飛機(jī)通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的改變，從而控制飛機(jī)的姿態(tài)和位置。多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為星型結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)。星形結(jié)構(gòu)的特征是根據(jù)星形連接將吊桿和中心板（）組合在一起。多旋翼無(wú)人機(jī)的中心板負(fù)責(zé)承載所有機(jī)載系統(tǒng)和連接所有吊桿，而吊桿主要負(fù)責(zé)承載動(dòng)力系統(tǒng)。在X形中，兩臂的中線用作頭部方向。在星型結(jié)構(gòu)中，根據(jù)機(jī)頭方向與飛行器所定義的臂部相對(duì)位置的差異，也可分為十字型和X型。十字頭方向與其中一只手臂重合。交叉拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是控制起來(lái)比較容易，因?yàn)樵谧鲎藨B(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)是以其中一只手臂為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸上的手臂電機(jī)不需要調(diào)節(jié)速度，但缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)橥ǔC(jī)載前視相機(jī)瞄準(zhǔn)頭部方向，在交叉設(shè)計(jì)時(shí)容易被手臂遮擋，影響視角。由上述表達(dá)可知根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)頭方向定義的不同，多旋翼無(wú)人機(jī)分為兩種飛行模式：X型模式（如圖所示）和十字模式（如圖所示）。從現(xiàn)在多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用來(lái)看，應(yīng)用X型模式比較廣泛，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)同樣采用X型模式。圖1.5圖1.6多旋翼無(wú)人機(jī)可以通過自動(dòng)調(diào)節(jié)四個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變多旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)和高度，改變升力大小，從而實(shí)現(xiàn)遙控多旋翼無(wú)人機(jī)的姿勢(shì)和高度。多旋翼無(wú)人機(jī)是一種六個(gè)自由度的垂直起降無(wú)人機(jī)，只能夠存在四個(gè)輸入的動(dòng)力，但是同時(shí)卻能夠存在六個(gè)不同的飛行狀態(tài)，如圖所示。圖1.7多旋翼無(wú)人機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)垂直運(yùn)動(dòng):又稱升力運(yùn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)可以利用螺旋翼來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和停止。力相對(duì)性就是意味著當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子推動(dòng)空氣，那么空氣就會(huì)向一個(gè)相反方向推動(dòng)另一個(gè)轉(zhuǎn)子。這是一種無(wú)人機(jī)能夠上下移動(dòng)的根本原理。另外，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)越快，升力也就越大，反之亦然。當(dāng)四臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出和拉力功率相同而增大時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨之增大，相同總拉力也隨之增大。當(dāng)總拉力足夠克服整個(gè)飛行器的重量，則四旋翼將從地面上方垂直推動(dòng)飛行;反之，四個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出功率也同時(shí)降低，使四個(gè)旋翼發(fā)電機(jī)沿z軸垂直運(yùn)動(dòng)，直至平穩(wěn)著到達(dá)地面，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的水平垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外部的干擾值為零時(shí)，旋翼所產(chǎn)生的提升力大約等于飛行器的重量。飛機(jī)將保持懸停。三種運(yùn)動(dòng)方式：①懸停狀態(tài)：；②垂直上升：；③垂直下降：。表示四個(gè)旋翼提供的總升力大小，表示無(wú)人機(jī)的重量大小。圖1.8多旋翼無(wú)人機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)與滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類似。在能夠保持左右兩端旋翼轉(zhuǎn)速不變的必要前提下，通過改變前后兩端旋翼的轉(zhuǎn)速，形成前后兩端旋翼的升力差，使得機(jī)身前后兩端對(duì)稱軸上產(chǎn)生一定的力矩，在角方向上對(duì)產(chǎn)生的角加速度進(jìn)行控制。如圖所示，若電機(jī)的轉(zhuǎn)速有所增加，的轉(zhuǎn)速以相同數(shù)量減小，此時(shí)電機(jī)產(chǎn)生的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)產(chǎn)生的推力，使得電動(dòng)在軸負(fù)的方向上產(chǎn)生一個(gè)部分力，實(shí)現(xiàn)了四旋翼無(wú)人機(jī)的向后移動(dòng)和飛行;反過來(lái)，向前飛行。這種繞軸的運(yùn)動(dòng)稱為俯仰運(yùn)動(dòng)。圖1.9多旋翼無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也被稱為縱向俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與俯仰和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的原理相同，在圖中通過改變電機(jī)和飛行器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持飛行器電機(jī)和飛行器電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，就是可以讓多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)身圍繞軸方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了飛行器的俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)。圖1.10偏航方向運(yùn)動(dòng):在小型無(wú)人機(jī)使用旋翼的橫向高速旋轉(zhuǎn)中，由于旋翼受到空氣阻力的相互作用，會(huì)在兩個(gè)相反向的旋轉(zhuǎn)力矩方向之間形成一個(gè)互相反向的旋轉(zhuǎn)力矩。為了有效率地克服其對(duì)反向轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)干擾，四個(gè)旋翼中的兩個(gè)可以向前旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)可以向后旋轉(zhuǎn)，并且對(duì)角線上每個(gè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是相同的。而且逆扭矩的增加量大小也是由于旋翼的轉(zhuǎn)速所致。例如，當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相等時(shí)，四個(gè)螺旋槳所產(chǎn)生的逆向扭矩可以相互均勻地平衡，四個(gè)螺旋槳飛行器也就沒有發(fā)生過正常的轉(zhuǎn)動(dòng)。例如，當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速并沒有做到一個(gè)完全相等的轉(zhuǎn)速時(shí)，不平衡的逆向扭矩力就會(huì)導(dǎo)致四個(gè)旋翼式飛行器的轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖中，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)和旋翼的轉(zhuǎn)速開始上升，電機(jī)和旋翼的轉(zhuǎn)速開始下降時(shí)，旋翼1和旋翼對(duì)無(wú)人機(jī)身的多余逆向扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋翼和旋翼的逆向扭矩，機(jī)身便可以在多余逆向扭矩的作用下繞Z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多旋翼無(wú)人機(jī)的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與一臺(tái)電機(jī)和旋翼的偏航運(yùn)動(dòng)方向正好相反。圖1.11前后方向的運(yùn)動(dòng):為了更好地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在水平面上的前后、左右方向的運(yùn)動(dòng)，必須對(duì)飛機(jī)施加一定力。在圖中，提高電機(jī)的運(yùn)行速度以減小拉力，相應(yīng)地降低電機(jī)的運(yùn)行速度以減小拉力。同時(shí)，保持另外兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，反向轉(zhuǎn)矩仍然相對(duì)于電動(dòng)機(jī)保持平衡。根據(jù)圖的理論，飛機(jī)首先將旋翼傾斜到一定的程度，從而產(chǎn)生旋翼張力的水平分量，從而可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的前進(jìn)和后飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行相反。圖1.12側(cè)向運(yùn)動(dòng)：在圖中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。圖1.13避障躲藏技術(shù)[7]，就是一種由小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行自主自動(dòng)躲藏周圍障礙物的一種智能化操作技術(shù)。根據(jù)目前我國(guó)民用無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)狀以及未來(lái)技術(shù)研究發(fā)展態(tài)勢(shì)，無(wú)人機(jī)的自動(dòng)避障檢測(cè)技術(shù)大致情況可以詳細(xì)劃分如下為三個(gè)技術(shù)發(fā)展主要階段，一個(gè)就是人機(jī)感知的主要障礙物。二這也是在需要繞過一定的活動(dòng)障礙物時(shí)需要進(jìn)行的一個(gè)階段;三這也是需要進(jìn)行活動(dòng)場(chǎng)景模型建模與進(jìn)行路徑分析檢索的一個(gè)階段。這三個(gè)發(fā)展階段其實(shí)就是對(duì)于未來(lái)無(wú)人機(jī)的使用避障導(dǎo)航技術(shù)能夠起到避障作用的一個(gè)重要過程。從達(dá)到無(wú)人機(jī)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)所有障礙物，再最終達(dá)到飛機(jī)可以自動(dòng)快速繞過所有障礙物，再最終達(dá)到可以實(shí)現(xiàn)自我合理規(guī)劃飛行路徑的技術(shù)目標(biāo)。第一個(gè)研發(fā)階段，無(wú)人機(jī)玩家可以自己做的就是簡(jiǎn)單快速感知和自動(dòng)消除交通障礙物。例如，當(dāng)一架無(wú)人機(jī)在高速行駛中只要碰到任何一個(gè)障礙物，都會(huì)迅速被自動(dòng)識(shí)別，并且自動(dòng)將其懸停并飛起來(lái)，等待著飛的無(wú)人機(jī)接到飛行員的下一個(gè)飛行指令。第二個(gè)技術(shù)階段，無(wú)人機(jī)首先需要能夠通過自動(dòng)視覺技術(shù)獲取周圍障礙物的物體大小和移動(dòng)深度生成圖像，并由此精確地自動(dòng)感知和看到周圍障礙物具體外形輪廓，然后能夠自主自動(dòng)繞過周圍障礙物。這個(gè)關(guān)鍵階段就是我們擺脫了無(wú)人飛手的重復(fù)操作，實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)完全自主自動(dòng)駕駛的一個(gè)關(guān)鍵階段。第三個(gè)研發(fā)階段，無(wú)人機(jī)公司可以對(duì)高空飛行的各個(gè)區(qū)域場(chǎng)景建立一個(gè)大的地圖數(shù)據(jù)模型，然后對(duì)其情況進(jìn)行分析規(guī)劃合理的飛行線路。這個(gè)三維地圖不能僅僅認(rèn)為是一個(gè)只有機(jī)械的和平面的地圖模型，而是一個(gè)幾乎能夠?qū)崟r(shí)信息更新的三維動(dòng)態(tài)立體地圖，這將被外界認(rèn)為已經(jīng)是目前我國(guó)無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障地圖技術(shù)的最高峰和發(fā)展早期階段。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的紅外障礙物激光測(cè)距視覺檢測(cè)激光技術(shù)及其方法主要類型包括:紅外超聲波視覺測(cè)距激光技術(shù)、紅外/紅內(nèi)激光測(cè)距TOF、雙目激光視覺測(cè)距技術(shù)、電子地圖等。多旋翼無(wú)人機(jī)遇到不同類型的障礙物要采取不同避障方案。根據(jù)紅外線避障傳感器進(jìn)行障礙物掃描，將障礙物信息傳回地面控制端?？蓪⒉煌愋偷恼系K物分為較大障礙物和較小障礙物。根據(jù)障礙物的不同，執(zhí)行不同的避障方案。多旋翼無(wú)人機(jī)避障模塊勘測(cè)障礙物時(shí)，只能通過地面控制站傳回的數(shù)據(jù)類型圖片進(jìn)行判斷，但也存在不能完全勘測(cè)到障礙物的完整大小。在遇到較小的障礙物時(shí)，例如樹枝，電線桿，以及空中漂浮的垃圾。這時(shí)多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)進(jìn)行懸停飛行，并且對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行方向調(diào)整，逆時(shí)針或順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)多旋旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)頭，如圖1.14所示。同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)高度進(jìn)行調(diào)整，直至多旋翼無(wú)人機(jī)避障傳感器勘測(cè)不到障礙物，繞過障礙物進(jìn)行飛行，隨后按著預(yù)定航線繼續(xù)作業(yè)。圖1.14多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行的過程中勘察到較大的障礙物時(shí)，例如建筑物，廣告牌，樹木等。與遇到較小障礙物的處理方式一樣，多旋翼無(wú)人機(jī)同樣采用懸停飛行來(lái)處理，飛手對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行方向調(diào)整，逆時(shí)針或順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)多旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)頭，并且同時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)高度進(jìn)行調(diào)整。但因?yàn)橛龅捷^大障礙物，所以多旋翼無(wú)人機(jī)單純只依靠調(diào)整方向和高度并不能成功完成避障。如果飛手無(wú)法通過地面控制站完全掌握障礙物信息時(shí)，應(yīng)將處在正在懸停時(shí)的多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)無(wú)人機(jī)避障傳感器旋轉(zhuǎn)到探測(cè)不到障