無(wú)人機(jī)飛控原理之姿態(tài)控制

為了深入理解無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制，我們可以從較為簡(jiǎn)單的單旋翼直升機(jī)入手，逐步過(guò)渡到更為復(fù)雜的四旋翼無(wú)人機(jī)。這種由簡(jiǎn)入繁的方法有助于清晰地展示姿態(tài)控制的基本原理及其演變過(guò)程。單旋翼直升機(jī)的設(shè)計(jì)和操作原理為多旋翼無(wú)人機(jī)提供了基礎(chǔ)概念，而四旋翼無(wú)人機(jī)則是這些概念在現(xiàn)代無(wú)人飛行系統(tǒng)中的具體應(yīng)用和發(fā)展。本文將按照這一路徑，首先探討單旋翼直升機(jī)的尾槳作用，然后分析無(wú)尾槳設(shè)計(jì)的解決方案，最終聚焦于四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制機(jī)制。

01、直升機(jī)的尾槳：控制自旋的關(guān)鍵

主旋翼反扭矩效應(yīng)

直升機(jī)的主旋翼在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生升力的同時(shí)，也會(huì)根據(jù)牛頓第三定律對(duì)機(jī)身施加一個(gè)等大但方向相反的反扭矩（reaction torque）。這個(gè)反扭矩會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)機(jī)體沿與主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，即所謂的自旋現(xiàn)象。例如，如果主旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么機(jī)身就會(huì)有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。如果不加以控制，這種自轉(zhuǎn)會(huì)使直升機(jī)難以穩(wěn)定飛行，并且飛行員很難保持航向。

尾槳的作用

為了抵消主旋翼產(chǎn)生的反扭矩并保持航向穩(wěn)定，傳統(tǒng)單旋翼直升機(jī)配備了尾槳。尾槳通過(guò)產(chǎn)生側(cè)向推力來(lái)對(duì)抗主旋翼的反扭矩，從而確保直升機(jī)能夠在空中穩(wěn)定飛行而不自轉(zhuǎn)。此外，飛行員可以通過(guò)調(diào)整尾槳的推力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)偏航控制，即轉(zhuǎn)向操作。尾槳不僅解決了自轉(zhuǎn)問(wèn)題，還賦予了直升機(jī)靈活的轉(zhuǎn)向能力。然而，尾槳的存在也帶來(lái)了額外的復(fù)雜性和維護(hù)成本，因此一些新型直升機(jī)設(shè)計(jì)探索了無(wú)需尾槳的解決方案。

02、沒(méi)有尾槳的直升機(jī)設(shè)計(jì)

雙旋翼直升機(jī)

雙旋翼直升機(jī)采用兩個(gè)主旋翼，它們以相反方向旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)使得兩個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，因此不需要額外的尾槳來(lái)平衡反扭矩。典型例子包括波音CH-47支奴干直升機(jī)。雙旋翼直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于更高的升力效率和更好的操控穩(wěn)定性，尤其是在高速飛行時(shí)。由于兩個(gè)旋翼可以提供更大的升力，雙旋翼直升機(jī)能夠承載更重的貨物或進(jìn)行更遠(yuǎn)距離的飛行。

共軸雙旋翼直升

共軸雙旋翼直升機(jī)則是在同一軸線上安裝上下兩個(gè)主旋翼，同樣以相反方向旋轉(zhuǎn)。這樣的布局不僅有效地抵消了反扭矩，還提高了升力效率和空間利用率?？蛟O(shè)計(jì)局的Ka系列直升機(jī)就是這種設(shè)計(jì)的代表。共軸雙旋翼直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、抗風(fēng)能力強(qiáng)，適合在狹窄空間內(nèi)作業(yè)，如森林滅火或城市搜救任務(wù)。此外，由于沒(méi)有外部尾槳，這種設(shè)計(jì)也減少了碰撞風(fēng)險(xiǎn)，增加了安全性。

03、四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制

四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)類比 四旋翼無(wú)人機(jī)可以被視為兩只雙旋翼直升機(jī)綁在一起。每個(gè)四旋翼都有四個(gè)旋翼，其中對(duì)角線上的兩個(gè)旋翼以相同方向旋轉(zhuǎn)（例如順時(shí)針），而另外兩個(gè)則以相反方向旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）。這樣，所有旋翼產(chǎn)生的反扭矩再次相互抵消，實(shí)現(xiàn)了類似雙旋翼直升機(jī)的效果，也就是無(wú)需額外的抗扭裝置即可保持穩(wěn)定。這種設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，還提高了飛行的靈活性和可控性。

姿態(tài)控制機(jī)制

● 自旋控制（偏航）：通過(guò)調(diào)整對(duì)角線上旋翼的速度差異來(lái)改變整體的反扭矩平衡，從而使無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)。例如，增加順時(shí)針旋翼的速度同時(shí)減慢逆時(shí)針旋翼的速度，無(wú)人機(jī)將向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；反之亦然。

● 上升與下降：同步增加或減少所有四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，以提高或降低總升力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垂直方向上的移動(dòng)。當(dāng)所有旋翼轉(zhuǎn)速一致時(shí)，無(wú)人機(jī)可以保持懸停狀態(tài)；增加轉(zhuǎn)速則會(huì)上升，減小轉(zhuǎn)速則會(huì)下降。

● 俯仰和橫滾：分別調(diào)整前后或左右兩側(cè)旋翼的速度差，使無(wú)人機(jī)圍繞其縱軸（俯仰）或橫軸（橫滾）傾斜，以此來(lái)控制前進(jìn)、后退、左移或右移的動(dòng)作。例如，增加前側(cè)旋翼的速度同時(shí)減慢后側(cè)旋翼的速度，無(wú)人機(jī)將向前傾斜并前進(jìn)；同理，調(diào)整左右兩側(cè)旋翼的速度可以實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。

04、飛控如何控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)

控制算法

飛控系統(tǒng)利用先進(jìn)的控制算法，如PID控制器，來(lái)精確調(diào)節(jié)各個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速。PID控制器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的反饋控制系統(tǒng)，它通過(guò)比例（P）、積分（I）和微分（D）三個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整輸出值，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。在無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制中，PID控制器根據(jù)傳感器提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出適當(dāng)?shù)目刂浦噶?，確保無(wú)人機(jī)能夠快速響應(yīng)并維持預(yù)期的姿態(tài)。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)偏離水平位置時(shí)，PID控制器會(huì)立即調(diào)整相關(guān)旋翼的轉(zhuǎn)速，使無(wú)人機(jī)恢復(fù)到正確的位置。

傳感器融合

飛控系統(tǒng)整合來(lái)自多種傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行傳感器融合處理，以獲得更加準(zhǔn)確和可靠的姿態(tài)估計(jì)。常用的傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)。加速度計(jì)測(cè)量無(wú)人機(jī)的線性加速度，陀螺儀檢測(cè)角速度變化，磁力計(jì)則提供地球磁場(chǎng)信息用于航向參考。通過(guò)融合這些傳感器的數(shù)據(jù)，飛控系統(tǒng)能夠構(gòu)建一個(gè)三維坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)跟蹤無(wú)人機(jī)的姿態(tài)變化，并據(jù)此作出相應(yīng)的調(diào)整。傳感器融合技術(shù)不僅提高了姿態(tài)估計(jì)的精度，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。

動(dòng)態(tài)調(diào)整

飛控系統(tǒng)還能夠根據(jù)外部因素（如風(fēng)速變化、氣流擾動(dòng)等）動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，保證無(wú)人機(jī)即使在復(fù)雜環(huán)境中也能保持良好的飛行品質(zhì)。例如，在強(qiáng)風(fēng)條件下，飛控系統(tǒng)可以通過(guò)增加特定旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)抵抗風(fēng)力的影響，保持無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行。此外，飛控系統(tǒng)還可以根據(jù)不同的飛行模式（如自動(dòng)巡航、手動(dòng)操控等）優(yōu)化控制參數(shù)，提供最佳的飛行體驗(yàn)。對(duì)于一些高級(jí)應(yīng)用，如編隊(duì)飛行或自動(dòng)避障，飛控系統(tǒng)還需要集成更多的傳感器和技術(shù)，如視覺識(shí)別、激光雷達(dá)等，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。