多功能無人機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)

楊思力　陳閔葉　項(xiàng)陽　侯添元

摘要：多旋翼無人飛行器是一種多用途，可靠性好的飛行器，它可根據(jù)不同目的搭載相應(yīng)模塊的負(fù)載完成相應(yīng)的任務(wù)。它的飛行姿態(tài)穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境要求較低，配合機(jī)載導(dǎo)航，定位設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無人控制飛行。

本文以小型民用無人飛行器為研究對(duì)象，主要側(cè)重于多用途路況探測與救援無人機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)，首先介紹了多旋翼無人機(jī)的概念和飛行原理，并且從外形、總體布局、動(dòng)力裝置和控制理論對(duì)其進(jìn)行分析。本文結(jié)合了現(xiàn)有的理論成果，針對(duì)實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了一款可更換模塊的小型無人機(jī)。

關(guān)鍵詞： 多用途; 多旋翼無人飛行器; 路況探測

中圖分類號(hào)：TP391 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）14-0262-04

Abstract：Multi-rotor UAV is a kind of multi-purpose， reliable aircraft， which can carry the corresponding module load to complete the corresponding tasks according to different purposes. It has stable flight attitude and low environmental requirements. It can realize unmanned flight with airborne navigation and positioning equipment. This paper focuses on the development and design of a small civil unmanned aerial vehicle （UAV）. Firstly， the concept and flight principle of a multi-rotor UAV are introduced， and its configuration， overall layout， power plant and control theory are analyzed. In this paper， a small UAV with replaceable modules is designed， which combines the existing theoretical results and aims at practical problems.

Key words：multi-purpose; ?Multi-rotor UAV; ?terrain detection

引多旋翼無人飛行器是一種可以垂直起飛、降落，對(duì)起降環(huán)境和地形要求較低，以多個(gè)旋翼提供升力的飛行器。其優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡單可靠，外形尺寸可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)變化，組裝簡單，中低空飛行性能和穩(wěn)定性機(jī)動(dòng)性較好，維護(hù)簡便成本低等等。多旋翼飛行器在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用場景中都可起到關(guān)鍵作用并代替有人機(jī)械完成一些危險(xiǎn)性較大的工作并降低成本。例如，使用無人機(jī)搭載攝像機(jī)航拍代替直升機(jī)航拍，在突發(fā)災(zāi)害時(shí)利用無人機(jī)搶先到達(dá)災(zāi)區(qū)并勘察地形和被困人員位置為營救爭取時(shí)間。無人機(jī)的利用隨著科技的發(fā)展正在被普及，我們小組著眼于多功能無人機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)，主要著重于研究野外路況的探測和救援?，F(xiàn)代都市的駕駛者開始喜歡駕駛著愛車去野外感受大自然的風(fēng)光，然而野外的路況并不如城市那般平整，相反很多情況下路況都極其復(fù)雜，駕駛者一旦判斷失誤就會(huì)傷及愛車，甚者損壞車輛底盤困于野外。而此款無人機(jī)可解決此類問題，其可裝配于越野車車頂，由車內(nèi)的電瓶直接進(jìn)行充電，由于現(xiàn)在越來越多的車輛都裝配了中央顯示屏幕，所以此款無人機(jī)的操作模塊可集成于車輛的人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)于駕駛者的使用極其方便。

1 設(shè)計(jì)說明

1.1設(shè)計(jì)流程

1.2 外形設(shè)計(jì)?

由此款地形偵測無人機(jī)外觀與普通無人飛行器相似，為四旋翼無人機(jī)。機(jī)身主要由聚合物材料制作。為了使此款無人機(jī)在野外適應(yīng)于各種艱難環(huán)境，盡管其機(jī)身尺寸長為21cm，四個(gè)螺旋槳也均采用了碳纖維材質(zhì)槳片，以此來確保無人機(jī)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性及靈活性。無人機(jī)的四個(gè)機(jī)臂下方還配備了基礎(chǔ)的起落架，使得無人機(jī)能穩(wěn)定降落于車頂上。無人機(jī)的四個(gè)無刷電機(jī)分別固定于機(jī)臂末端，旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。

1.3 總體布局

此款無人機(jī)的主要部件有升力旋翼，無刷電機(jī)，無刷電子調(diào)速器，飛行控制微計(jì)算機(jī)，接收機(jī)，發(fā)射機(jī)，鋰聚合物電池。

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個(gè)輸入力，同時(shí)有六個(gè)狀態(tài)輸出。 四旋翼飛行器的電機(jī) 1和電機(jī) 3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。

1）垂直運(yùn)動(dòng)：同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿 z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

2）俯仰運(yùn)動(dòng)：電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。

3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：改變電機(jī) 2和電機(jī) 4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4）偏航運(yùn)動(dòng)：旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖二中，當(dāng)電機(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼 1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

5）前后運(yùn)動(dòng)：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機(jī) 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其他兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。

6）傾向運(yùn)動(dòng)：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。

1.4 起降方式

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，但只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 四旋翼飛行器的電機(jī) 1和電機(jī) 3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。

1）垂直運(yùn)動(dòng)：同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿 z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

2）俯仰運(yùn)動(dòng)：在圖2中，電機(jī) 1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。

3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：在圖2中，改變電機(jī) 2和電機(jī) 4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī) 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

4）偏航運(yùn)動(dòng)：旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖2中，當(dāng)電機(jī) 1和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼 1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。

5）前后運(yùn)動(dòng)：要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機(jī) 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其他兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖2中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。）

6）傾向運(yùn)動(dòng)：在圖二中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。

1.5 操縱系統(tǒng)

1.5.1飛行控制微計(jì)算機(jī)

飛行控制微計(jì)算機(jī)是旋翼機(jī)的核心設(shè)備，是無人機(jī)最核心的技術(shù)之一，其性能從本質(zhì)上決定了無人飛行器的飛行性能。其完成的主要功能有：

·處理來自遙控器或自動(dòng)控制的信號(hào)，這時(shí)飛控需要識(shí)別遙控器或自動(dòng)控制的信號(hào)，完成要求的飛行姿態(tài)或其他指令。

·控制電調(diào)，此時(shí)飛控為電調(diào)發(fā)送信息，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，用以控制旋翼機(jī)改變飛行狀態(tài)。

除了以上的主要功能，飛控板還可以通過一些板載的測量元件，在沒有任何控制的情況下，通過控制電調(diào)的輸出信號(hào)保持旋翼機(jī)的穩(wěn)定飛行。一些成品飛控板還有其他的功能，通過飛控板提供額外的接口，在固件程序中有相應(yīng)的處理程序，來實(shí)現(xiàn)如固件燒寫和云臺(tái)搭載。

1.6 動(dòng)力裝置參數(shù)

1.6.1總體參數(shù)

最大拉力：1.32 千克/ 軸（16.8 V，海平面）;使用環(huán)境溫度：-10 至50 ℃。

1.6.2電機(jī)

定子尺寸：23×5 mm;KV值：2400 rpm/V;重量：27.8 g。

1.6.3 電調(diào)

最大允許電壓：17.4 V;最大允許電流（持續(xù)）：30 A;最大允許峰值電流（3 秒）：45 A;支持輸入油門信號(hào)模式：普通信號(hào)及OneShot125信號(hào);最大兼容OneShot125信號(hào)頻率：1 kHz;最大兼容普通信號(hào)頻率：500 Hz;默認(rèn)輸出PWM頻率：16 kHz;重量：2.8 g;支持電池：3S - 4S LiPo。

1.7 性能數(shù)據(jù)

最大上升速度：5m/s;最大下降速度：3m/s;最大水平飛行速度：65km/s（海平面附近無風(fēng)環(huán)境）;最大飛行海拔高度：5000m;最大飛行時(shí)間：27分鐘（無風(fēng)環(huán)境25km/s勻速飛行）;最長懸停時(shí)間：24分鐘（無風(fēng)環(huán)境）;衛(wèi)星定位模塊：GPS;懸停精度：垂直+/-0.1m 水平+/-0.3m。

1.7.1 遙控器和接收機(jī)

采用2.4Ghz頻率的六通道發(fā)射機(jī)與接收機(jī)組合，接收機(jī)安裝在機(jī)身上，發(fā)射機(jī)則由地面操作者控制，接收機(jī)將接收的無線電信號(hào)通過電信號(hào)傳給飛行控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電子調(diào)速器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制飛行器以穩(wěn)定或改變飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.7.2 電池

電池主要以鋰聚合物電池為主，采用疊片軟包裝，其可以任意面積化和任意形狀化，該電池是采用滲透性較強(qiáng)的復(fù)合材料薄膜隔離正負(fù)極板正極采用鈷酸鋰、錳酸鋰等物質(zhì)作為收集極，負(fù)極選擇石墨材料，并選擇有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)，相比鋰離子電池，鋰聚合物電池電解液為膠狀物。鋰電池的容量表示方法一般有ZmAH和ZWH兩種，前者表示以ZmA持續(xù)放電，能夠維持1h;后者表示以ZW放電，能夠連續(xù)放電1h。此外，其內(nèi)部有電池安全閥、PTC等組成，以防止其在輸出異常的，短路的情況下保護(hù)電池，免受損害。

標(biāo)準(zhǔn)的鋰聚合物電池電壓是3.7V，充電后滿電壓可達(dá)4.2V。鋰聚合物電池的S數(shù)代表鋰電池的節(jié)數(shù)，一節(jié)鋰電池表示為1S，標(biāo)準(zhǔn)電壓值為3.7V，以5000mah電池為例，單節(jié)1s電池重量在125g～132g之間，同理，6S電池則為22.8V標(biāo)準(zhǔn)電壓，750g～792g之間。電池放電C數(shù)表示電池的放電能力，如6000mah的電池，標(biāo)準(zhǔn)為0.5C，則放電電流為0.5x6000=3000mA，需要特別注意的是不能以大于鋰電池C數(shù)倍放電，否則會(huì)快速損壞電池甚至自燃。

2 通用接口平臺(tái)部分設(shè)計(jì)及分析

2.1 該通用接口平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念

（1）平臺(tái)提供一定的互換性，盡可能多的兼容其他組件以實(shí)現(xiàn)更多的功能;

（2）具有便攜性，具有快速拆卸和安裝的功能，盡量減少或不使用其他的工具來完成設(shè)備的更換;

（3）通用平臺(tái)接口具有傳輸電能和數(shù)據(jù)的能力，可與接收機(jī)和飛控配合，驅(qū)動(dòng)不同的組件。

因此平臺(tái)最終采用上下兩部分設(shè)計(jì)，上部分與減震臺(tái)，下底座連接，下部分與功能組件相連。通用接口采用USB3.0技術(shù)。

如圖，這是USB3.0 Micro B接口，針腳1是供電（VBUS），針腳2是USB2.0的數(shù)據(jù)-，針腳3是USB2.0的數(shù)據(jù)+，針腳4是USB的ID線，針腳5是地線（GND），針腳6是USB3.0的發(fā)送數(shù)據(jù)線-，針腳7是USB3.0發(fā)送數(shù)據(jù)線+，針腳8是地線（GND），針腳9是USB3.0的接收數(shù)據(jù)線-，針腳10是USB3.0接受數(shù)據(jù)線+。

通用平臺(tái)底座下方配有兩對(duì)USB3.0接口，一方面可作為其他組件能源的供給來源（標(biāo)準(zhǔn)輸出5V 1A），為通用下平臺(tái)未能懸掛的部分提供兼容的可能。另一方面可以作為信息接入的入口，為今后集成飛控，開源飛控，單片機(jī)的接入預(yù)留空間。

3 結(jié)束語

本課題主要研究內(nèi)容是基于多功能旋翼無人機(jī)的三維建模及多功能接口的理論研究。任務(wù)重點(diǎn)在于對(duì)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)和多功能接口簡要的分析，較為完整的設(shè)計(jì)出一部四旋翼飛行器及其多功能接口的示意圖，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)實(shí)問題自主開發(fā)設(shè)計(jì)一款通用多功能接口模型示意圖，最終完成主要模型示意圖，具體成果如下：

1）對(duì)旋翼機(jī)飛行結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行簡要的介紹，對(duì)動(dòng)力部分進(jìn)行簡要的理論分析;

2）基于SolidWorks對(duì)旋翼機(jī)整體進(jìn)行實(shí)體建模，在3Dmax環(huán)境下設(shè)計(jì)裝配旋翼機(jī)多功能接口的三維虛擬模型;

3）基于3Dmax自主開發(fā)設(shè)計(jì)一款具有理論可行性的多功能接口，在此基礎(chǔ)上繪制多功能接口及相關(guān)組件的模型示意圖，進(jìn)行簡單的功能性分析，并在3Dmax裝配環(huán)境下組合裝配。

4）將整體模型的示意圖運(yùn)用到實(shí)際，為下一步開發(fā)實(shí)體模型機(jī)做準(zhǔn)備。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】