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文献综述： |
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无人直升机是无人机的一种，利用无线遥控设备操纵或者自主程序控制。地面或舰艇遥控站通过无线通信设备对安装着程序控制装置、自动驾驶仪等设备的无人直升机进行跟踪、定位、遥控和遥测[1][2]。其中较为典型的多旋翼无人直升机，与传统的固定翼飞机以及载人直升机相比，结构更加简单，成本低，飞行的稳定性更好。目前应用最为广泛的是四旋翼无人机，此外还有非共轴六旋翼、三轴式六旋翼[3]与八旋翼无人机等。 1.1四旋翼直升机的结构特点 四旋翼直升机的四个电机分别为四个旋翼提供动力，位于十字支架的四个顶端，布局主要分“X”型与“十”型。如图1，对角线上的两个电机的扭矩互相抵消，从而不需要额外的反扭矩旋翼等抵消电机扭矩的措施。
图1 无人机悬停时的运动模式 可以根据四旋翼直升机的运动特点，将其运动控制模式分为四种：垂直运动、滚转运动、俯仰运动与偏航运动[4]。 1.2四旋翼直升机的控制特性 1.2.1欠驱动 将机体近似地看作刚体，则我们可以将四旋翼直升机在空间中的运动分为刚体的滚转运动与质点的平移运动，这两部分运动各具有3个自由度，共6个自由度，而四旋翼直升机只有4个驱动电机，故为一个欠驱动系统。 1.2.2非线性 由四旋翼直升机的近似看作刚体时的数学模型可知，四旋翼直升机为一个非线性的系统[4]。 1.2.3强耦合 四旋翼直升机的输出量之间还具有高度耦合的特性[5]，改变一个电机的转速不仅会影响直升机的滚转或者俯仰控制，还将影响到直升机的垂直运动与偏航运动。
目前国内外对四旋翼直升机控制的研究多集中在非线性控制领域，但由于非线性控制对模型准确性有较强的依赖，在模型误差存在的条件下，PID 控制更加实用[6]。 2.1飞行控制方法 四旋翼直升机强耦合、非线性、欠驱动、干扰敏感的特性，为飞行控制系统的设计增加了一定的难度。同时，控制系统的性能还受到模型的准确性和传感器精度的制约。近年来，国内外针对四旋翼的控制提出了许多新的控制方法，表1中列出了四旋翼直升机几种典型的控制方法及其特点。 表1 四旋翼直升机几种典型的控制方法及其特点
经典PID控制参数的确定过程过于繁琐复杂，且不具有可移植性，所以随着控制理论的发展，国内外近年来将一些新技术与PID控制技术结合起来，用于四旋翼直升机的控制，如神经网络PID控制、自适应PID控制、模糊PID控制、基于反步法的PID等[5]。 同时，也存在不依赖于PID的控制方法，如基于反步法的滑模控制[8]。 2.2四旋翼直升机平台搭建方法 四旋翼直升机的飞行控制系统以飞控计算机为核心，辅以传感器单元、执行机构单元、数据链路单元等，实现对飞行器姿态及轨迹的控制[9]。 其中飞控计算机部分主要分为两种实现思路，一种为单处理器进行姿态解算与控制输出，架构简单但效率较低；另一种则为DSP与单片机协作分工，效率较高但成本与难度较大[9]。 其中传感器部分，线性加速度传感器在较长的时间段里对于四旋翼直升机的姿态反映较为准确，而角加速度传感器则具有更好的动态特性，但会随着误差的积分而产生飘移的现象[10]。 同时，由于传感器的精度误差对于四旋翼直升机的控制有着很大的影响，多种滤波算法在四旋翼直升机的控制中的到了广泛的应用[11][12][13]。 近年来部分传感器集合了线性加速度、角加速度以及磁感应器等多种传感器并具有融合滤波后直接输出直升机姿态角的功能。 执行机构单元目前主要采用无刷电机，因有刷电机相比于无刷电机有很多缺点，内燃机目前又不能保证快速反应并会很大得加大直升机机械结构的复杂程度，故续航时间尚不理想。 数据链路单元对于模拟信号传输与数字信号传输均有运用[14][15][16]。
本文首先分析了四旋翼直升机飞行的长处与运动特性以及控制特性，随后综述了国内外现有飞行控制方法及其应用现状，最后结合具体的四旋翼直升机平台的搭建方法，指出了制约着四旋翼直升机控制技术发展的几个因素，并对四旋翼无人直升机的发展趋势做了展望。四旋翼无人直升机作为一个灵活的具有高机动性的平台，将会在未来的军事领域中发挥重要作用，同时也会受惠于控制理论与制造技术的发展，在民用领域发挥出巨大的作用。 参考文献：
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