原创《城市环境中四旋翼飞行器的安全操控方法》
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魏铂淞
（西北工业大学航天学院,陕西 西安 710068）
摘 要：四旋翼飞行器目前在城市中普遍应用,但在城市环境中操控四旋翼飞行器,必须严格保证其飞行安全.文章阐述了关于四旋翼飞行器操控问题的需求背景和飞行器系统的组成与飞行原理,通过分析四旋翼飞行器的两种操控方式,从飞行前航路规划、飞行中实时监控、紧急情况人工切换三个方面提出了面向城市环境的四旋翼飞行器的安全操控要求.
关键词：四旋翼飞行器；航路规划；安全操控；城市环境；飞行安全 文献标识码：A
中图分类号：TP133 文章编号：1009-2374（2017）09-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.09.005
1 概述
多旋翼飞行器具有稳定性好、操控灵活、速度低、低空飞行安全性能好的优点.当前,多旋翼飞行器已成为许多大型科技公司的重点发展产品,特别是我国的大疆科技公司,已经开发了多款小型四旋翼无人飞行器,获得了广泛的应用.由于四旋翼飞行器的诸多优点,使得这类飞行器已成为大学生开展科技创新、发展智能飞行控制技术的重要平台,也是城市环境中呈现最多的个人小型飞行器.
随着城市中这类小型飞行器的大量出现,由此造成的飞行安全事件或者隐患已经开始呈现.据媒体报道,2016年2月一架无人机撞上美国纽约的帝国大厦第40层,幸好未造成人员伤害事件.还有一些报道指出,在一些大型客机起降过程中,在城市机场上空发现小型四旋翼飞行器,这将对客机的安全产生重大影响.尽管这些事件没有对城市环境的安全造成明显的重大影响,但是它却为城市环境中小型四旋翼飞行器的安全飞行问题向人们亮起了红灯,必须高度重视城市环境中各种小型的个人飞行器的飞行安全问题.
因此,这类飞行器的操控员在开始其飞行前,必须认真学习和掌握所用飞行器的飞行原理和正确的操控方法,熟悉紧急情况下的安全操控要求,只有这样才可能保证其在飞行过程中不对城市的公共安全造成危害.
2 四旋翼飞行器系统的组成
小型四旋翼无人飞行器本质上是一种小型的无人机,它的飞行不仅需要有在空中飞行的飞行器本体,还需要地面的控制站（或称为地面站计算机）、遥控器和操控手以及在空中的飞行器和地面计算机之间传送指令和信息的通信链路.所以说,四旋翼无人飞行器的组成是一套系统,包括四旋翼飞行器、机载摄像机、数据传输系统（简称数传）、遥控器和地面控制计算机.
四旋翼飞行器有4个相同形式的小旋翼,分别由4个独立的电机驱动.通过调节4个电机的转速,就可改变相应旋翼所产生的升力和扭矩,从而使飞行器整体的升力大小和方向发生改变,进而达到控制四旋翼飞行器姿态、改变航迹的目的.4个旋翼的不同组合,可以构成飞行器的六种运动状态,即俯仰、滚转、偏航、悬停、前进和侧移.假设飞行前向对应的旋翼为1#旋翼,顺时针方向依次为2#、3#和4#旋翼,则当4个旋翼的转速等量增大或减少时,将使飞行器获得整体上升或下降的力,产生向上或向下的运动；增大或减小1#旋翼的转速,同时等量减少或增大对应的3#旋翼的转速,将产生使飞行器低头或抬头的力矩,导致飞行器的俯仰运动；如果仅是增大或减小2#旋翼的转速,同时等量减少或增大对应的4#旋翼的转速,将产生滚转运动；等量增加或减少1#和3#旋翼转速,同时等量减少或增大2#和4#旋翼转速,则产生偏航运动；保持4个旋翼等速旋转,飞行器就将保持悬停.
对于可以自动飞行的四旋翼飞行器来说,最核心的设备是机载的飞行控制系统,也称为自动驾驶仪.该系统接收地面控制计算机或是地面操控员发出的飞行控制指令或是预先接收地面计算机生成的航路规划数据.并根据地面的操控指令或是航路数据,解算出使飞行器产生俯仰、倾斜、偏航、前进、上升等运动行为的控制信号,并将这些信号放大输出给相应的驱动电机.通过电机控制旋翼的旋转方向和速度,从而使飞行器实现期望的运动.
3 四旋翼飞行器的操控方式
四旋翼飞行器的操控通常有两种方式,即自动飞行控制方式和人工操控飞行方式.
自动飞行控制方式就是通过机载飞行控制系统生成对飞行器的控制信号,驱动相应的旋翼电机旋转,使飞行器产生期望的飞行运动.在这种控制方式下,需要在飞行前通过地面控制计算机中的航路规划系统为飞行器生成预定的飞行航路,并通过地面控制计算机装订到机载飞行控制计算机中.在自动飞行控制模式下,飞行控制系统首先读取预设的航路点数据.每组航路点数据包括航点的经度、纬度和高度数据以及在该航路点上的飞行任务数据.飞控系统根据航路点数据,按照航迹跟踪算法,生成对飞行器的控制指令,使飞行器保持对预定航路的跟踪控制,实现按预定航路的自动飞行.
小型四旋翼飞行器的飞控系统通常包括主控制器、电机、GPS接收机、惯性测量单元IMU和高度传感器.IMU包括陀螺仪和加速度计,其中陀螺仪测量飞行器绕俯仰、倾斜和航向轴的旋转角速度,再计算得到俯仰、倾斜和偏航的三个姿态角；加速度计测量飞行器在东北天三个方向上的飞行加速度,通过积分再得到飞行器在三个方向上的速度和位移.高度计用于测量飞行器的高度,与IMU的测量数据配合,可以得到飞行器的空间位置.通过GPS接收机也可获得飞行器的速度、位置等信息,而且利用GPS信号定期校准惯性信号,可以获得高精度的导航信息.飞控系统的主控制器用于解算控制律,获得对4个电机的转速控制信号,进而实现对四旋翼飞行器的姿态控制和航迹跟踪控制.
人工操控方式就是由操控员通过遥控器发出对飞行器的操控指令,直接控制飞行器飞行的方式.这种操控方式只适用于视距通讯范围内的操控,而且对操控员的操控熟练水平要求较高.
4 在城市环境中的安全操控方法
在城市环境中飞行的四旋翼飞行器,通常要在鳞次栉比的高楼大厦间穿梭飞行,还要面对城市中复杂的悬空物,因此保证不发生碰撞是对其安全的最基本要求.为了确保达到这种最基本的安全飞行要求,就必须确保对飞行器进行安全的操控.对于四旋翼飞行器的两种飞行操控方式,应当综合考虑两个方面的安全操控要求,要做到飞行前进行充分的航路规划,飞行中实施正确的操控.具体地说,就是要确保做到以下三点：
第一,在飞行前充分进行安全的航路规划.航路规划是在飞行前通过地面控制计算机上的航路规划软件系统,为飞行器确定一条或者若干条从起点到达终点的飞行路线.每条飞行路线由一系列的航路点组成.对于在城市中飞行的四旋翼飞行器,安全和快速是选择飞行路线的主要要求.为此在利用航路规划软件进行路径规划时,必须注意三点：（1）要使用新的、信息完整的城市数字地图,以确保所选定的航路能够使飞行器避开所有的高楼大厦等航路障碍物；（2）准确掌握所在城市的禁飞或限飞要求,如果城市中有明确的禁飞区域,应在规划系统的航路约束条件中明确给出.特别是对于机场等重要的公共安全区域,航路规划时设定的限制范围应显著大于城市规定的安全限制范围；（3）使用安全性高的航路规划算法进行航路计算和选择.城市环境楼房密集障碍物多,使用安全性高的航路规划算法,比如基于Laguerre图的路径规划方法、基于局部回溯与广度优先综合的路径规划方法等,可使得到的航路对于两侧的障碍物有着更优的安全距离.确定好飞行航路后,还要通过规划系统生成航线文件.该文件按照确定的顺序和格式存储着所选航线上的航路点数据,这些数据将被飞行控制系统调用,生成按照指定航路飞行的飞行控制指令,因此必须确保航线文件的存储安全.
第二,在飞行中必须密切监控地面控制计算机上显示的飞行回传画面,及时掌握飞行器的飞行状态和飞行前路的环境情况.如果出现突发的意外障碍或者是飞行器的突发故障,应及时切换到人工操控状态,尽量通过人工操控使飞行器尽快脱离危险,并尽快赶到现场进行处理.
第三,在人员和物品密集的地方起飞和降落时,应采用人工操控,确保起飞降落阶段的安全.为此,四旋翼飞行器的操控员必须接受严格的训练和考核,不仅要能熟练使用遥控器,更要能适应复杂动态环境中的安全操控,要具备在突发异常情况下处变不惊的良好心理
素质.
5 结语
四旋翼飞行器在城市中的大量使用,既丰富了城市的生活和娱乐方式,也增加了城市上空的安全隐患,因此必须重视关于四旋翼飞行器的安全操控问题.本文在介绍四旋翼飞行器系统的组成、飞行操控的方式和工作原理的基础上,阐述了在城市环境中确保飞行安全的飞行操控要求.对于四旋翼飞行器的爱好者和飞行操控员来说,必须掌握这些要求,并不断训练和熟悉,才能不断提高飞行四旋翼的安全操控水平.
作者简介：魏铂淞（1995-）,男,陕西宝鸡人,西北工业大学航天学院本科学生,研究方向：探测制导与控制.
（责任编辑：黄银芳）
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