陳啟佳

（廣州市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510000）

0 引言

在有序控制的影響下，無(wú)人機(jī)具有相對(duì)優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和控制性等特點(diǎn)。它適合于在敵對(duì)關(guān)系中進(jìn)行偵察活動(dòng)，增強(qiáng)戰(zhàn)斗技術(shù)指導(dǎo)并補(bǔ)充空中偵察的完整性，可以為相關(guān)行業(yè)提供有價(jià)值的信息。小型四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)輕巧簡(jiǎn)單，使其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，并充分展現(xiàn)了無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和運(yùn)用價(jià)值，對(duì)未來(lái)社會(huì)中增加生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益非常重要。

1 新型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 四旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)

（1）無(wú)人機(jī)地面控制站程序用于實(shí)時(shí)查看無(wú)人機(jī)位置。在獲得無(wú)人機(jī)飛行的實(shí)時(shí)信息后，對(duì)其進(jìn)行有效處理，并對(duì)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行處理。在控制器中完成收到后，將同時(shí)發(fā)送控制信號(hào)[1]。

（2）四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)入指揮引導(dǎo)系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)均安裝在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中，其應(yīng)用能力是使用各種傳感器（例如陀螺儀）完成對(duì)無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的測(cè)量。當(dāng)傳感器收集無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)時(shí)，可以實(shí)時(shí)完成分析，并將信息返回到地面控制站以獲得有關(guān)無(wú)人機(jī)飛行器的各種信息，然后控制站完成了信號(hào)計(jì)算。機(jī)上信息包括位置、飛行速度、飛行角度等信息。該通訊系統(tǒng)與根據(jù)航空交通管制計(jì)劃運(yùn)作的地面管制站相連。地面控制站接收的控制信號(hào)分析，并通過(guò)算法分析然后將其集成到發(fā)動(dòng)機(jī)控制中，從而將其集成到發(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)中?？刂瓢ㄞD(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)速度[2]。

1.2 新型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）出色的機(jī)動(dòng)性，高度的飛行適應(yīng)性以及能夠在各種條件下完成任務(wù)。與固定翼無(wú)人機(jī)不同的是，四旋翼無(wú)人機(jī)不需要制造跑道，可以垂直飛行和停飛，這增加了飛行靈活性，降低了飛行速度[3]。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)非常精確，操作簡(jiǎn)單易學(xué)。與直升機(jī)設(shè)計(jì)相比，新型無(wú)人機(jī)的機(jī)械化設(shè)計(jì)更加緊湊。同時(shí)，螺旋槳數(shù)量為4個(gè)，它們產(chǎn)生推力，可以給無(wú)人機(jī)額外的控制尺寸。與單螺桿推力相比，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的控制程序提供多個(gè)無(wú)人機(jī)座椅。

（3）飛行噪聲小，隱蔽性好。無(wú)人機(jī)的四個(gè)螺旋槳可以消散飛行時(shí)的風(fēng)力，并且每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作功率都是可調(diào)的，以減少噪音。小型推進(jìn)器可以科學(xué)地幫助避免被熱雷達(dá)探測(cè)到，從而改善了四旋翼無(wú)人機(jī)的偽裝，從而有效地獲得了目標(biāo)偵查領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息，適應(yīng)娛樂(lè)休閑、高空攝影、地理測(cè)繪、信息偵查等應(yīng)用場(chǎng)景[4]。

2 新型無(wú)人機(jī)控制過(guò)程

2.1 控制原理

無(wú)人飛行器是自動(dòng)飛行的設(shè)備，不需要搭載操縱者，其控制機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，框架分析程序是基于自動(dòng)控制原理的。在這一階段，自動(dòng)控制技術(shù)的形成依賴于反饋概念，以提高控制技術(shù)的穩(wěn)定性，保證無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。反饋理論由數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)比較和指令執(zhí)行三個(gè)要素組成。在測(cè)量過(guò)程中，可以獲得假定變量的具體數(shù)據(jù)，并與目標(biāo)值進(jìn)行比較，而控制器可以利用實(shí)時(shí)偏差控制預(yù)期對(duì)象，提高了系統(tǒng)響應(yīng)精度，降低了系統(tǒng)響應(yīng)偏差優(yōu)化控件。地面控制站運(yùn)行期間，執(zhí)行的指令通過(guò)地面控制站和控制系統(tǒng)傳輸?shù)綗o(wú)人系統(tǒng)。執(zhí)行指令期間，位置、飛行速度和飛行狀態(tài)等信息將被探測(cè)系統(tǒng)接收，然后傳送到地面控制站。地面控制站的工作原理與無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)中的控制相同。無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中的伺服機(jī)構(gòu)類似于無(wú)人機(jī)的推進(jìn)器。

2.2 PID控制器

無(wú)人機(jī)有很多控制選項(xiàng)，而研制人員將根據(jù)控制難度，嘗試將其添加到無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中。但是，隨著控制器的組成越來(lái)越復(fù)雜，相應(yīng)的改進(jìn)取決于模型設(shè)計(jì)的可靠性，與PID控制器相比并不理想。因此，在大多數(shù)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)階段采用PID控制器作為主要控制算法?？刂破鞯腜ID字母表如下：P代表英文縮寫(xiě)“proportional”，I代表英文縮寫(xiě)“integral”，D代表英文縮寫(xiě)“derivative”。這種控制器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，用途廣泛。作為PID控制的一部分，按P代表比例控制，I代表積分控制，以消除靜態(tài)誤差，D代表微分控制，可提高無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。由于PID控制器具有簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在無(wú)人機(jī)操作領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

2.3 多址通信控制

無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，很容易引起通信干擾問(wèn)題。因此，提出了一種多訪問(wèn)通知管理技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的基本概念是：根據(jù)該組中無(wú)人機(jī)的真實(shí)飛行性能分為若干部分。對(duì)于多個(gè)地址，請(qǐng)使用這些地址以完成有效信號(hào)接收，加強(qiáng)信號(hào)分離，然后進(jìn)行信號(hào)凈化和擴(kuò)展，有效的信號(hào)識(shí)別和縮短飛行時(shí)間。UAV在組中造成的通信干擾。例如，在地質(zhì)勘探期間，總共發(fā)送了四架無(wú)人機(jī)進(jìn)行聯(lián)合飛行。在飛行過(guò)程中，按一下按鈕以每秒完成讀取和收集信息，并在2個(gè)通道中添加不同的傳輸?shù)刂?。?信道上，波頻設(shè)置為16kbit/s，信號(hào)2設(shè)置為1kbit/s以上。這種通信控制方式可有效完成4架無(wú)人機(jī)的信號(hào)采集，信號(hào)頻率為1100Hz、1200Hz，分別為1300hz和1600hz。根據(jù)無(wú)人機(jī)的信號(hào)頻率，它們由信號(hào)處理器處理，分離器可分離信號(hào)，放大器可完成信號(hào)清理。處理完成后，將檢查信息以嘗試獲得最佳的通信結(jié)果。

3 控制模擬分析

3.1 模擬設(shè)計(jì)

在通訊管理的基礎(chǔ)上，研發(fā)人員進(jìn)行模擬以測(cè)試通訊管理的能力。作為航空攝影的對(duì)象，選擇了四架無(wú)人飛行器，它的傳輸持續(xù)10秒。通過(guò)傳感器獲得了無(wú)人機(jī)的通信頻率：1100Hz，1200Hz，1300Hz和1600Hz。設(shè)置兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，波特率分別為16Kbps和17Kbps。無(wú)人機(jī)的操作的要素包括爬升，變速和著陸。在實(shí)驗(yàn)的早期階段，使用K最近鄰算法和隨機(jī)方法完成了機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程，共有4822個(gè)樣本和158165秒的學(xué)習(xí)時(shí)間。

3.2 模擬結(jié)果

將實(shí)驗(yàn)時(shí)間影響結(jié)果分析的可靠性因素考慮在內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了15分鐘，進(jìn)行了90次信號(hào)傳輸和實(shí)時(shí)特征觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)完成后，傳感器記錄通信響應(yīng)周期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：①實(shí)驗(yàn)時(shí)間15分鐘；②無(wú)人機(jī)通信信號(hào)識(shí)別效率達(dá)98.35%；③飛行穩(wěn)定性100%，碰撞概率0左右；④通信響應(yīng)時(shí)間0.22秒。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在15分鐘的通信控制試驗(yàn)期間，多組無(wú)人機(jī)一起飛行?？刂菩屎?，信號(hào)識(shí)別率98.35%，飛行穩(wěn)定性100%，幾乎無(wú)碰撞可能性。在爬升、變速和著陸過(guò)程中，平均通信應(yīng)答時(shí)間為0.22秒，可滿足大部分無(wú)人機(jī)操作，說(shuō)明了通信控制技術(shù)的可行性。

3.3 模擬分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多組無(wú)人機(jī)同時(shí)飛行會(huì)產(chǎn)生一些干擾通信的問(wèn)題。因此，傳感器、通信技術(shù)和PID控制器是控制無(wú)人機(jī)的有效手段。此外，在后續(xù)無(wú)人機(jī)控制研究中，應(yīng)更多關(guān)注大氣、多雨、電磁和其他環(huán)境因素，以及學(xué)習(xí)如何控制關(guān)于干擾的影響，以確保更穩(wěn)定的無(wú)人機(jī)性能。

4 無(wú)人機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題

4.1 隱私問(wèn)題

目前，我國(guó)有關(guān)無(wú)人機(jī)的法律法規(guī)尚未最終確定，僅在某些地區(qū)通過(guò)了相關(guān)法律，雖然用戶能夠使用無(wú)人機(jī)輕松地從公眾那里收集個(gè)人信息，包括地理位置，生物特征等以及通信內(nèi)容等，但它的應(yīng)用可能危及隱私，增加泄露個(gè)人信息的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 噪音

無(wú)人機(jī)的飛行模式是由葉片螺旋旋轉(zhuǎn)引起的推力向下上升。飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，主要是機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。機(jī)械噪聲主要是由機(jī)體發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的摩擦和振動(dòng)引起的?？諝鈩?dòng)力噪聲是由葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中相對(duì)于空氣的摩擦和振動(dòng)引起的。這些噪音可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)在拍攝時(shí)無(wú)法有效地記錄原始聲音，其物體也容易受到噪音的影響。

4.3 安全問(wèn)題

首先，一些用戶在禁飛區(qū)測(cè)試無(wú)人機(jī)，工作可能干擾飛行器飛行并對(duì)社會(huì)造成潛在危險(xiǎn)；其次，當(dāng)無(wú)人機(jī)發(fā)出信號(hào)時(shí)，它對(duì)來(lái)自磁場(chǎng)的干擾非常敏感，這會(huì)導(dǎo)致身體失去控制，發(fā)生事故；最后，無(wú)人機(jī)葉片的快速旋轉(zhuǎn)對(duì)人類及其周圍生物體的安全構(gòu)成了極大威脅，每年都會(huì)發(fā)生許多事故。

4.4 業(yè)務(wù)問(wèn)題

由于無(wú)人機(jī)的某些操作需要逆向控制，所以技術(shù)上不合格的新手，遇到危險(xiǎn)并引發(fā)事故，容易上浮。當(dāng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)斷開(kāi)時(shí)，用戶在操作過(guò)程中無(wú)法立即回電無(wú)人機(jī)。此外，無(wú)人機(jī)的飛行受天氣條件影響，在強(qiáng)風(fēng)影響下失去控制，偏離航向。

5 無(wú)人機(jī)的多領(lǐng)域應(yīng)用

5.1 農(nóng)業(yè)方面

無(wú)人機(jī)的高功率和高載荷可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一些需求。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)編程，無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的播種，不僅提供了播種密度，而且提供了最終的結(jié)果。使用無(wú)人機(jī)澆灌和噴灑作物可以提高效率，節(jié)省人力資源。

5.2 救濟(jì)方面

自然災(zāi)害發(fā)生后，無(wú)人機(jī)可立即對(duì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，有效防止救援人員在救援過(guò)程中出現(xiàn)險(xiǎn)情，提高救援速度，保護(hù)自身安全。新冠疫情期間，學(xué)校、醫(yī)院等公共場(chǎng)所在疫情防控重點(diǎn)領(lǐng)域使用無(wú)人機(jī)，提高了區(qū)域消毒效率，保障了人員的健康安全。

5.3 物資運(yùn)輸方面

近年來(lái)，許多物流公司快遞和配送公司嘗試使用無(wú)人機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工配送，取得了地區(qū)性成果。例如，京東在海南和貴州交通不便的地區(qū)為用戶提供無(wú)人值守的商品遞送服務(wù)。與原有人工投送的不足相比，無(wú)論地形如何，都能做到直達(dá)、高效、快速投送。

5.4 交通方面

無(wú)人機(jī)在空中捕獲的圖像可以在地面坐標(biāo)中準(zhǔn)確地重建，也可以用來(lái)監(jiān)視活動(dòng)。以前只能在直升機(jī)上使用的鳥(niǎo)瞰觀察效果，現(xiàn)在可以使用無(wú)人機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。有效的全球監(jiān)控功能可以減少交通事故和交通擁堵。例如，當(dāng)交警使用無(wú)人機(jī)執(zhí)行法律時(shí)，他們可以不受限制地自由執(zhí)行任務(wù)，從而提高了效率。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，四旋翼無(wú)人機(jī)利用其相對(duì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，經(jīng)典部件以及方便的操作和維護(hù)，使其制造、操作和維護(hù)更加經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，在實(shí)踐中，無(wú)人機(jī)更加靈活，具有很強(qiáng)的覆蓋能力，在其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和逐步使用。例如，配送服務(wù)京東（JD.com）集成了無(wú)人機(jī)控制程序，并出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中。同時(shí)，無(wú)人飛行器也已有效地用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)，森林保護(hù)，監(jiān)測(cè)地質(zhì)困難地區(qū)，制定失蹤人員救援計(jì)劃以及有效獲取遙感圖像數(shù)據(jù)等領(lǐng)域。因此，加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制并改善其應(yīng)用性能尤為重要。