四旋翼飛行動作分析及避障功能擴展

趙毅　廖柏林　毛凱文

【摘 要】無人飛行器因其結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷等優(yōu)點而在生活中有廣泛的應(yīng)用，因此對無人飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動作進行探討具有較好的現(xiàn)實意義。四旋翼飛行器作為小型無人飛行器的代表，擁有較為簡單的結(jié)構(gòu)和相對優(yōu)秀的平衡能力，故論文對四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動作進行詳細探討。特別地，論文還從理論上對四旋翼飛行器的飛行動作進行了深入的受力分析?；谝陨戏治?，論文對arduino芯片與簡單四旋翼飛行器的融合方法進行研究，并基于arduino MEGA 2560芯片進行避障功能擴展。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；原理；結(jié)構(gòu)特點；飛行動作；Arduino芯片；避障

中圖分類號： V249.1；V279 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0048-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.021

Four-rotor Flight Action Analysis and Obstacle Avoidance Function Expansion

ZHAO Yi LIAO Bo-lin MAO Kai-wen

（College of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou，416000，China）

【Abstract】Unmanned aerial vehicles have a wide range of applications in life because of their simple structure and convenient operation.Therefore，it is of great practical significance to explore the structure，principle and flight movement of unmanned aerial vehicles.As a representative of small unmanned aerial vehicles，the quadrotor has a relatively simple structure and relatively good balance ability.Therefore，the paper discusses the structure，principle and flight movement of the four-rotor aircraft in detail.In particular，the paper also theoretically conducted an in-depth analysis of the flight behavior of the quadrotor.Based on the above analysis，the paper studies the fusion method of Arduino chip and simple quadrotor aircraft，and expands the obstacle avoidance function based on Arduino MEGA 2560 chip.

【Key words】Four-rotorcraft；Principle；Structural characteristics；Flight action；Arduino chip；Obstacle avoidance

0 引言

隨著科技的發(fā)展，信息的重要性也開始凸顯，越來越多的研究人員開始研究信息的采集、處理與反饋[1-4]。無人飛行器在獲取地面圖像信息上有著無與倫比的優(yōu)勢，越來越多的研究人員開始對它的原理、PID控制[5-6]、飛行動作進行詳細建模分析[7]，其中也產(chǎn)生了一些對于四旋翼的經(jīng)典分析模型，也有研究人員對導(dǎo)航信息處理進行研究[8-9]。民用無人飛行器應(yīng)用主要以無人飛行器搭載高清攝像頭來實現(xiàn)攝像、航拍[10]、農(nóng)業(yè)檢測、災(zāi)害搜救等方面的功能，而軍用無人飛行器則主要應(yīng)用于對軍事目標的偵察、跟蹤、定點清除等方面。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)的對稱性以及正反槳的應(yīng)用使其具有相對優(yōu)秀的平衡能力與較為簡單的操作方法，這也是四旋翼飛行器[11]占民用飛行器市場較大份額的原因之一，本文主要就四旋翼飛行器的原理、結(jié)構(gòu)特點以及飛行動作進行分析，但四旋翼飛行器的主流價格并不低，其原因主要有兩點，一是飛控芯片與控制芯片價格相對較貴，二是不開源導(dǎo)致有較高專利費用。Arduino是一個方便靈活、極易上手的開源平臺，包含有軟件Arduino IDE和各種型號的Arduino開發(fā)板，論文對Arduino 芯片與簡單四旋翼飛行器的融合方法進行研究，并基于Arduino MEGA 2560芯片進行避障功能擴展。

1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器也被稱為四旋翼直升機，是一種六自由度的垂直升降機，因其在四個輸入力的作用下會產(chǎn)生六個狀態(tài)輸出所以四旋翼飛行系統(tǒng)也是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)[12]，其原理是通過改變四個電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)四個電機所提供升力的大小和方向，以此實現(xiàn)合力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)、速度、位置等，其基本構(gòu)架是由四個兩兩對稱旋臂搭載四個電機所組成，由旋臂結(jié)構(gòu)的不同分為十字形與X字形，其主要區(qū)別在于十字形穩(wěn)定性相對較強，X字形相對靈活性較好[13]。

1.2 四旋翼飛行器原理

目前直升飛行器通過控制電機旋轉(zhuǎn)來提供空氣反作用力的起飛方式所面臨的最大問題是電機旋轉(zhuǎn)不僅會產(chǎn)生豎直方向的升力，還會產(chǎn)生水平方向的空氣扭矩力與慣性扭矩力，如不加控制便會產(chǎn)生飛行器繞某一方向瘋狂自轉(zhuǎn)的陀螺效應(yīng)[14]，因此大多數(shù)直升機會采用增加額外控制部件來抑制陀螺效應(yīng)，比如引入尾槳來抵消扭矩力[15]。

四旋翼飛行器的對稱結(jié)構(gòu)使不引入額外部件抵消扭矩力成為可能，通過控制兩個相對電機逆時針旋轉(zhuǎn)并搭配反槳，另外兩個相對電機順時針旋轉(zhuǎn)搭配正槳，來相互抵消空氣扭矩力與慣性扭矩力，從而抑制飛行器的陀螺效應(yīng)。

2 四旋翼飛行器飛行動作

四旋翼飛行系統(tǒng)作為一種欠輸入系統(tǒng)，其在四個輸入力的作用下可以產(chǎn)生垂直運動、俯仰運動、滾轉(zhuǎn)運動、偏航運動、前后運動、側(cè)向運動這六種輸出狀態(tài)[16]。其飛行動作皆可通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，本文著重介紹垂直運動、俯仰運動、偏航運動。

2.1 垂直運動

在描述圖中規(guī)定沿X軸正方向運動為向前運動，箭頭在旋翼運動平面的上方代表此電機的轉(zhuǎn)速提高，在旋翼運動平面的下方代表此電機的轉(zhuǎn)速下降，定義旋轉(zhuǎn)方向為以面對旋轉(zhuǎn)軸正方向時所觀察到的旋轉(zhuǎn)方向為飛行器旋轉(zhuǎn)方向，定義電機1和電機3作逆時針旋轉(zhuǎn)并搭載反槳，定義電機2和電機4作順時針旋轉(zhuǎn)并搭載正槳。

如圖1所示，理論上四旋翼飛行器實現(xiàn)垂直運動是通過控制四個電機同時增加輸出功率，使四個旋翼的轉(zhuǎn)速都增加來增大總升力，當(dāng)總升力足以克服飛行器總重力時，四旋翼飛行器便會離開地面做垂直上升動作；反之，同時減少四個電機的輸出功率，當(dāng)總升力不足以克服飛行器總重力時，四旋翼飛行器便會做垂直下降動作；當(dāng)外界擾動量[17]為零，且旋翼所產(chǎn)生升力等于飛行器總重力時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)注意此為理想情況，實際上由于飛行器處于一個未知的開放環(huán)境當(dāng)中，往往會存在某方向的自然風(fēng)，在這個自然風(fēng)的影響下，飛行器會處于一個不平衡狀態(tài)，可能會引起定向漂移或者失控，因此需要通過改變相應(yīng)電機轉(zhuǎn)速來引入一個反向分量去平衡這個自然風(fēng)所引起的偏移量[18]。

2.2 俯仰運動

如圖2所示，四旋翼飛行器實現(xiàn)俯仰運動是通過增加電機1的轉(zhuǎn)速，降低電機3的轉(zhuǎn)速，保持電機2的電機4的轉(zhuǎn)速不變來實現(xiàn)。由于電機2、電機4所受空氣反作用力不變，電機1所受空氣反作用力增加，電機3所受空氣反作用力減少而產(chǎn)生的不平衡力矩會使機身繞Y軸順時針偏轉(zhuǎn)一定角度飛行，同理，當(dāng)電機1轉(zhuǎn)速下降，電機3轉(zhuǎn)速上升時機身便會繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度飛行，如圖3所示為其飛行受力圖。

由受力分析可知，只要有傾角產(chǎn)生，便會有水平方向的水平分力，也會由此產(chǎn)生一個加速度，也就是說無人機俯仰的速度會越來越大，如果向下速度過大會導(dǎo)致無人機無法及時拉升從而墜落損壞，因此俯仰運動一般不能產(chǎn)生較大傾角[19]。

2.3 偏航運動

如圖4所示，旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于存在空氣阻力，因此會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，因此減小電機2和電機4的轉(zhuǎn)速即會減小逆時針方向的空氣反扭矩力，而增大電機1與電機3的轉(zhuǎn)速則會增大順時針方向的空氣反扭矩力，綜合而言，四旋翼飛行器會產(chǎn)生一個富余的扭矩力使飛行器沿Z軸旋轉(zhuǎn)，具體受力如圖5所示。當(dāng)富余扭矩力為順時針方向時，飛行器便會順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)富余扭矩力為逆時針方向時，飛行器便會逆時針旋轉(zhuǎn)。

2.4 其他運動

四旋翼飛行器的滾轉(zhuǎn)運動與俯仰運動原理相似，保持電機1和電機3的轉(zhuǎn)速不變，增大電機4的轉(zhuǎn)速，減小電機2的轉(zhuǎn)速，便會產(chǎn)生不平衡力矩，使機身繞X軸順時針旋轉(zhuǎn)；同理，減小電機4的轉(zhuǎn)速，增大電機2的轉(zhuǎn)速則會使四旋翼飛行器繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn)。

前后運動、側(cè)向運動與俯仰運動原理也相似，可以看成是俯仰運動的一種特殊情況，即Z軸方向升力之和始終等于飛行器的重力，為保持Z軸方向升力之和不變，每個傾角都會對應(yīng)一個固定的轉(zhuǎn)速，要想達到固定傾角，則需要調(diào)節(jié)對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速使它達到傾角所對應(yīng)的值，而俯仰運動的轉(zhuǎn)速可以變化。

3 四旋翼飛行器系統(tǒng)構(gòu)架

圖6所示為X形四旋翼飛行器，它的飛行系統(tǒng)由通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，動力模塊所組成。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由加速度計、陀螺儀、GPS定位芯片組成，可以提供位置、加速度大小與方向、9軸傾斜角度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助數(shù)據(jù)處理模塊更好的控制動力模塊，從而更為精準的做出上文所描述的飛行動作。

動力模塊主要由電源、電調(diào)、電機組成，是四旋翼飛行器升力提供源，通過接收信息處理模塊發(fā)出的PWM信號來調(diào)節(jié)相應(yīng)電機轉(zhuǎn)速，從而直接控制飛行器飛行動作與速度。

信息處理模塊主要包含控制芯片與飛控程序，民用飛行器一般會采用已經(jīng)商業(yè)化的飛控芯片作為信息處理模塊。信息處理模塊作為四旋翼飛行器的核心部件，是四旋翼飛行器的指揮中心，起到控制信息采集模塊、動力模塊、通信模塊協(xié)同工作不沖突的作用。從信號控制角度來看，信息處理模塊是遙控數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，起到解析控制需求并轉(zhuǎn)發(fā)給動力模塊的作用；從飛行系統(tǒng)角度來看，信息處理模塊是穩(wěn)定飛行的核心控制器，是集信息接收、處理、發(fā)送于一體的集成器件，是穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)。

4 基于arduino芯片擴展的四旋翼飛行器

簡單四旋翼飛行器只需要電源、通信模塊、飛控芯片、動力模塊組成，通過遙控器把需要實現(xiàn)的飛行姿態(tài)通過電信號發(fā)送給飛控芯片，飛控芯片再把飛行姿態(tài)解析為四個電動機的轉(zhuǎn)速，再通過電流來控制電機轉(zhuǎn)速的變化，從而實現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制。

要想在簡單四旋翼飛行器中融入Arduino芯片，需要讓Arduino芯片作為控制信號必須經(jīng)過的一個場所，論文選擇在控制信號被接收機接受后先傳送給Arduino芯片，再通過Arduino芯片將控制信號傳送給飛控芯片解析成電流大小。要想躲避障礙物首先得知道哪兒有障礙物，可通過增加測距模塊來實現(xiàn)障礙物方位、距離等信息的采集，并通過Arduino芯片來做數(shù)據(jù)分析與處理從而實現(xiàn)避障功能。

5 結(jié)論

論文擴展的四旋翼飛行器避障功能可以實現(xiàn)飛行過程中躲避空中的樹枝等有空隙的障礙物，但由于設(shè)計的避障程序并沒有考慮遇到?jīng)]有空隙的障礙物的情況，因此如果遇到墻壁等沒有空隙的障礙物時只能靠操作者自主躲避，曾想模仿二維走迷宮的算法使用堆棧存儲路徑做到自主尋路，但是由于空中環(huán)境的復(fù)雜性與四旋翼飛行器自身的限制，暫未發(fā)現(xiàn)高效算法來實現(xiàn)。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)的對稱性以及正反槳的應(yīng)用使其對比其他飛行器具有相對優(yōu)秀的平衡能力與較為簡單的操作方法，可以預(yù)見隨著無人機的發(fā)展，在未來生活中它將會越來越大眾化，為人類帶來越來越多的便利，因此對四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動作進行探討具有較好的現(xiàn)實意義。

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