一、全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)的概念

? ? ? ?從直觀上理解，判斷系統(tǒng)是否為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以通過輸入的獨(dú)立變量數(shù)和狀態(tài)變量數(shù)來判定，如果輸入的獨(dú)立變量數(shù)少于狀態(tài)變量數(shù)，則為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如果輸入的獨(dú)立變量數(shù)等于狀態(tài)變量數(shù)，則為全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 根據(jù)其定義與系統(tǒng)可控性對(duì)比可以得到，全驅(qū)動(dòng)的定義強(qiáng)于可控性定義，即全驅(qū)動(dòng)包含于可控性定義中，但是全驅(qū)動(dòng)的約束更強(qiáng)。

? ? ? ?從理論推導(dǎo)，當(dāng)系統(tǒng)為機(jī)器人，控制輸入u為力矩時(shí)，往往可以轉(zhuǎn)化成這樣的仿射形式：

此時(shí)，為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。

? ? ? ?全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制思路更為簡(jiǎn)單，當(dāng)行滿秩時(shí)，可以對(duì)其求逆（若非方陣，則存在冗余控制量，下式存在多解）。

但是對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，?無法直接求逆，因此，與全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同的是，控制設(shè)計(jì)人員在控制設(shè)計(jì)中不得不考慮更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)這些動(dòng)態(tài)是非線性的，會(huì)大大復(fù)雜化反饋控制器的設(shè)計(jì)。

二、全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的定義

? ? ? 全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)是通過傾斜螺旋槳的方式產(chǎn)生多向推力，允許6個(gè)獨(dú)立的輸入（輸入的獨(dú)立變量數(shù)）控制獨(dú)立的6個(gè)自由度輸出（狀態(tài)變量數(shù)）的無人機(jī)。通過使用具有不同方向的固定螺旋槳來實(shí)現(xiàn)的，稱之為固定傾斜無人機(jī)，以及使用額外的執(zhí)行器來主動(dòng)傾斜螺旋槳，稱之為可變傾斜無人機(jī)。

? ? ? ?假設(shè)全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的構(gòu)型如下圖1和圖2所示，為了在力/力矩空間實(shí)現(xiàn)六個(gè)獨(dú)立的自由度，必須至少有六個(gè)執(zhí)行器（電機(jī)）。為避免動(dòng)力完全耦合，每個(gè)電機(jī)圍繞其半徑旋轉(zhuǎn)一個(gè)傾斜角?，形成一個(gè)非平行的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生XY平面內(nèi)的分量。

? ? ? 此時(shí)，我們做一個(gè)力分析，每個(gè)電機(jī)施加在無人機(jī)上的推力和扭矩可以表示為：

其中K1和K2是與電機(jī)有關(guān)的參數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)確定。脈寬調(diào)制電機(jī)是通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

? ? ? ?為了計(jì)算所有電機(jī)作用在無人機(jī)上的凈力/扭矩，首先將每個(gè)電機(jī)的推力和扭矩分解為機(jī)身框架上的X、Y和Z分量。如方程式(2)和(3)所示：

其中方程式（2）是電機(jī)1產(chǎn)生的推力分解的力和扭矩；方程式（3）是是由電機(jī)1產(chǎn)生的扭矩產(chǎn)生的科里奧利效應(yīng)。φ是每個(gè)電機(jī)的傾斜角，當(dāng)φ為零時(shí)，科里奧利效應(yīng)只產(chǎn)生與普通四旋翼相同的偏航力矩。θ表示電機(jī)相對(duì)于機(jī)身的位置（角度），d表示機(jī)臂的半徑。

? ? ? ?計(jì)算電機(jī)1施加在無人機(jī)上的總力/力矩：

? ? ? 按照相同的方法分解所有六個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的力/力矩。將這六個(gè)6x1矩陣組合成6x6矩陣，該矩陣是推力到力/力矩的映射Mφ，即

當(dāng) φ = 0 時(shí)，符合正常的六旋翼設(shè)計(jì)。此時(shí)，矩陣Mφ不滿秩，即?rank（Mφ）< 6，該無人機(jī)為欠驅(qū)動(dòng)無人機(jī)。

當(dāng)?φ?≠?0 時(shí)，矩陣Mφ滿秩，即?rank（Mφ）=?6，表明在笛卡兒空間中有6個(gè)獨(dú)立控制的自由度，該無人機(jī)為全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)。

三、全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)相較于欠驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

? ? ?欠驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的限制：

? ??? 1、不能獨(dú)立控制位置和方向。水平移動(dòng)需要傾斜機(jī)身 ，且不能保持傾斜機(jī)身懸停。

? ? ??2、不能夠產(chǎn)生任意方向的力/力矩。經(jīng)典的多旋翼無人機(jī)的螺旋槳的推力都是向上對(duì)齊的，它們?cè)诒３址较虿蛔兊那闆r下不能承受側(cè)向陣風(fēng)，這意味著它們可能無法保持接觸的情況下執(zhí)行操作任務(wù)。

? ? ? 全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

? ? ? ?1、允許獨(dú)立控制無人機(jī)的位置和方向，可以實(shí)現(xiàn)傾斜狀態(tài)下的懸停，在保持機(jī)身方向不變的前提下，進(jìn)行水平移動(dòng)。

? ? ? ?2、可以施加任意方向的力/力矩，精確控制施力方向和大小，可以幾乎瞬時(shí)地平衡外力，而不需要重新調(diào)整機(jī)體的方向。

四、全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)分類

? ? ? ?前面有提到過，全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)可以根據(jù)傾斜方式分為固定傾斜和主動(dòng)傾斜兩大類。它們各有其優(yōu)劣。

? ? ? ? 固定傾斜無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，自重小，可以快速平衡外力的優(yōu)點(diǎn)；但懸停狀態(tài)下，能效比差?？勺儍A斜無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全驅(qū)與欠驅(qū)相互切換，但結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，自重大，平衡外力速度較慢。

? ? ? ? 經(jīng)過多年的發(fā)展，全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的構(gòu)型也十分豐富，新構(gòu)型主要圍繞螺旋槳的數(shù)量和安裝位置，以及傾斜角度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。如下圖3和圖4。

五、全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

? ? ? ?全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)作為一種新的構(gòu)型，具有獨(dú)立控制無人機(jī)的位置和方向以及施加任意力/力矩的能力。作為空中平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)更加精確的位姿控制，對(duì)抗環(huán)境的干擾，實(shí)現(xiàn)更快的收斂；但全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)集成仍面臨十分巨大的挑戰(zhàn)。

? ? ? ?1、商業(yè)化慢：增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性、較低的能源效率以及開發(fā)新軟件工具所需的額外工作量阻礙了它們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中的廣泛使用；

? ? ? ? 2、新的控制器的設(shè)計(jì)需求：由于不能使用欠驅(qū)無人機(jī)的開發(fā)工具，需要重新設(shè)計(jì)控制器；

? ? ? ? 3、學(xué)習(xí)成本高：需要新的遠(yuǎn)程控制接口（RC），學(xué)習(xí)成本高，上手難度大。

? ? ? ? 4、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻：可以利用Simulink等工具來設(shè)計(jì)和生成新的全驅(qū)動(dòng)控制器的代碼，但生成的代碼對(duì)于在嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外執(zhí)行的任何任務(wù)來說都太基本了，滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需求。

? ? ? ? 最近，Azarakhsh Keipour等人提出通過修改欠驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的FX4代碼來拓展已有的欠驅(qū)動(dòng)無人機(jī)控制器，使全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)與現(xiàn)有的用于欠驅(qū)動(dòng)多旋翼的飛行堆棧和工具集成在一起，大大減少了全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的開發(fā)難度，相信以后會(huì)有更多全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的研究成果問世。