基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置

王志港 郝傳柱

摘 ?要：結(jié)合無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)需求，本文針對(duì)多旋翼無人機(jī)完成了基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，并從裝置總體設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)、整體性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)四個(gè)方面展開了詳細(xì)分析，指出裝置能夠利用萬向支架、球形外殼實(shí)現(xiàn)陀螺儀功能模擬，在無人機(jī)中心軸上安裝內(nèi)、外環(huán)架形成由兩個(gè)平衡環(huán)構(gòu)成的保護(hù)球，通過360°旋轉(zhuǎn)為內(nèi)置無人機(jī)提供全方位保護(hù)。

關(guān)鍵詞：陀螺儀;無人機(jī);保護(hù)裝置

中圖分類號(hào)：V279;V241.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0170-02

Abstract：Combined with the design requirements of UAV protection devices，this paper completed the design of gyroscope-based UAV protection device for multi-rotor UAV，and the detailed analysis was carried out from the overall design ideas，structural composition design，overall performance and application advantages of the device，indicating that the device can realize the gyroscope function simulation by using the gimbal and the spherical shell. The inner and outer ring frames are installed on the central axis of the drone to form a protective ball composed of two balance rings，all-round protection for built-in UAV is provided by 360 degree rotation.

Keywords：gyroscope;UAV;protection device

0 ?引 ?言

作為集航電、控制等技術(shù)為一體的高性能設(shè)備，無人機(jī)在偵查、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。所以，不僅要保證無人機(jī)能順利完成各種復(fù)雜任務(wù)，還要保證其能夠穩(wěn)定飛行，在危險(xiǎn)環(huán)境中避免無人機(jī)因碰撞發(fā)生損壞。而目前在無人機(jī)保護(hù)方面，在無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)陀螺儀結(jié)構(gòu)模擬能夠確保無人機(jī)真正實(shí)現(xiàn)自主穩(wěn)定飛行。因此，還應(yīng)加強(qiáng)基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，以便為無人機(jī)提供全方位保護(hù)。

1 ?無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)需求

多旋翼無人飛行器擁有簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且成本相對(duì)較低，然而由于飛行期間難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，容易出現(xiàn)側(cè)翻墜機(jī)問題，需要配備自動(dòng)控制器和導(dǎo)航系統(tǒng)，加強(qiáng)飛行姿態(tài)控制。而導(dǎo)航系統(tǒng)多重達(dá)數(shù)十斤，并且體積較大，在小型飛行器上并不適用。直至MEMS技術(shù)取得了發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)才實(shí)現(xiàn)了輕量化，促使多旋翼無人機(jī)得了廣泛的應(yīng)用。但就目前來看，未來多旋翼無人機(jī)將與更多無人機(jī)一同在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，通過使用無線電技術(shù)完成GPS定位、遙控和圖像傳輸?shù)炔僮?，在這一過程中容易發(fā)生信號(hào)干擾，導(dǎo)致無人機(jī)因無法獲得精確坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)而失控，不僅會(huì)引發(fā)作業(yè)失敗，還可能發(fā)生炸機(jī)，繼而帶來較大損失[1]。因此，要完成無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)的全方位保護(hù)。

2 ?基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)分析

2.1 ?總體設(shè)計(jì)思路

在無人機(jī)航電系統(tǒng)中，陀螺儀為重要組成部分，其能否充分發(fā)揮作用關(guān)系到無人機(jī)能否安全完成任務(wù)。在設(shè)計(jì)無人機(jī)保護(hù)裝置時(shí)，可以對(duì)陀螺儀結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行模擬，達(dá)到對(duì)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和保護(hù)的目的。

從總體設(shè)計(jì)來看，基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置由三個(gè)主要部分構(gòu)成，即飛行器、萬向支架架構(gòu)和球形防護(hù)結(jié)構(gòu)外殼。其中，飛行器位于結(jié)構(gòu)最內(nèi)側(cè)，為四旋翼無人機(jī)，利用四個(gè)馬達(dá)提供動(dòng)力，為飛行器飛行提供方向控制動(dòng)力。萬向支架結(jié)構(gòu)嵌套在球形防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，包含一個(gè)軸承和一個(gè)圓環(huán)，利用圓環(huán)對(duì)軸承進(jìn)行支撐，同時(shí)與球形外殼連接。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要使飛行器重心與支架結(jié)構(gòu)、球形防護(hù)外殼重心重合，促使防護(hù)結(jié)構(gòu)配合支架結(jié)構(gòu)360°旋轉(zhuǎn)，達(dá)到為飛行器提供全方位緩沖保護(hù)的目的。保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

2.2 ?結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上來看，保護(hù)外殼與三軸陀螺儀類似，通過在無人機(jī)中心軸上進(jìn)行內(nèi)環(huán)架的安裝，然后在內(nèi)環(huán)架外進(jìn)行外環(huán)架的安裝，能夠形成由兩個(gè)平衡環(huán)構(gòu)成的保護(hù)球，在飛行器運(yùn)行的過程中環(huán)繞飛行器三軸進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)[2]。在外環(huán)架上進(jìn)行球形外殼的加套，能夠形成完整保護(hù)球。利用球形保護(hù)結(jié)構(gòu)外殼，如圖2所示，能夠?yàn)闊o人機(jī)和傳感器提供可靠、穩(wěn)定的保護(hù)。從整體來看，保護(hù)裝置整體類似于地球經(jīng)緯網(wǎng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部兩個(gè)圓環(huán)相當(dāng)于相互垂直的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸，能夠使外殼保持靈活運(yùn)動(dòng)，達(dá)到360°自由旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)，繼而為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供全方位保護(hù)。而球形外殼為鏤空狀殼體，通過在任意三邊交點(diǎn)完成軸承設(shè)置，并在對(duì)角位置進(jìn)行軸承設(shè)置，能夠利用兩個(gè)軸承加強(qiáng)外殼與外圓環(huán)軸承孔的連接。在外圓環(huán)內(nèi)側(cè)，完成兩個(gè)短軸承的設(shè)置，然后分別與內(nèi)圓環(huán)的兩個(gè)軸承孔連接。在內(nèi)圓環(huán)內(nèi)，利用中空碳纖維管與內(nèi)置的無人機(jī)重心連接在一起。因此采用軸承，將嵌套的兩個(gè)圓環(huán)分別與無人機(jī)球形外殼結(jié)構(gòu)連接在一起，能夠構(gòu)成一個(gè)整體，保證兩圓環(huán)和保護(hù)球重心與無人機(jī)重心重合。采用鏤空結(jié)構(gòu)，目的在于避免無人機(jī)保護(hù)外殼給內(nèi)部攝像頭視野帶來遮擋。在實(shí)際制作過程中，還要選用玻璃纖維桿等材料進(jìn)行外殼結(jié)構(gòu)制作，以便使外殼強(qiáng)度得到保證的同時(shí)，降低制作成本，使保護(hù)裝置設(shè)計(jì)更具實(shí)用性。在連接桿設(shè)計(jì)上，同樣需要采用輕量化和強(qiáng)度大的材料，以便使結(jié)構(gòu)具有足夠韌性，避免在發(fā)生碰撞后損壞，這樣才能使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定性能，為無人機(jī)提供全方位保護(hù)。

2.3 ?裝置性能分析

從整體性能上來看，飛行器將達(dá)到1.5km遙測(cè)距離，穩(wěn)定性達(dá)到優(yōu)秀水平，載重量為0.5kg，續(xù)航時(shí)間能夠達(dá)到15min，飛行高度為500m，飛行速度為35km/h。在整套裝置中，飛行器為已經(jīng)調(diào)試好具備自穩(wěn)功能的四旋翼無人機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力輸出，相當(dāng)于陀螺儀的轉(zhuǎn)子。無人機(jī)機(jī)身本身體積較小，具有輕量化和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，能夠滿足裝置設(shè)計(jì)要求。利用飛行器配備的環(huán)境探測(cè)傳感器，能夠?qū)χ車h(huán)境信息進(jìn)行收集。如圖3所示，為模擬得到的基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置。實(shí)際四旋翼無人機(jī)需要利用四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無人機(jī)姿態(tài)控制，采用探測(cè)器進(jìn)行無人機(jī)飛行姿態(tài)角度采集，然后當(dāng)成是控制反饋，可以結(jié)合姿態(tài)數(shù)據(jù)和飛行環(huán)境信息完成飛行模式自主選擇，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主控制[3]。借助保護(hù)球，無人機(jī)可以沿著障礙物作業(yè)，在狹小空間內(nèi)穿行，完成空間拍攝，并將信息實(shí)時(shí)傳回至地面，因此能夠避免因螺旋槳碰撞障礙物導(dǎo)致無人機(jī)失去動(dòng)力并墜落。在多地形探索中，在保護(hù)性碳纖維籠中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攝像機(jī)支架和高清攝像機(jī)的安裝，能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程監(jiān)控。將結(jié)構(gòu)精密裝置都設(shè)置在保護(hù)球中，即便無人機(jī)發(fā)生碰撞反彈，整個(gè)裝置沿著不平地面滾動(dòng)，依然能夠保證內(nèi)部設(shè)備穩(wěn)定性，不會(huì)給設(shè)備帶來損傷，所以可以使無人機(jī)野外探索能力得到進(jìn)一步提高。

2.4 ?裝置應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

結(jié)合上述設(shè)計(jì)可知，采用基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置，能夠使無人機(jī)的探索能力得到明顯提高，從而為無人機(jī)執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)提供便利，降低無人機(jī)事故發(fā)生率，減少無人機(jī)作業(yè)帶來的人力、物力等損失。從裝置應(yīng)用優(yōu)勢(shì)上來看，設(shè)計(jì)出的無人機(jī)可以在復(fù)雜、狹小的空間環(huán)境中安全飛行，在面對(duì)危險(xiǎn)時(shí)通過近距離操縱無人機(jī)能夠順利應(yīng)對(duì)多樣性挑戰(zhàn)，比如在山洞、雪窟等危險(xiǎn)環(huán)境探測(cè)工作中，就可以采用帶有保護(hù)裝置的無人機(jī)進(jìn)行信息探測(cè)與數(shù)據(jù)采樣。在鐵路、道路等施工作業(yè)監(jiān)控探測(cè)與營救任務(wù)開展等方面，由于飛行器擁有較強(qiáng)飛行能力，因此可以得到應(yīng)用。從材料價(jià)格上來看，為無人機(jī)配備的球形外殼采用玻璃纖維桿和3D打印連接件制成，具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)，能夠?yàn)檠b置安裝和拆卸提供便利，使無人機(jī)具有方便攜帶的作業(yè)優(yōu)勢(shì)，使無人機(jī)的轉(zhuǎn)子在球形碳纖維籠中懸浮并且不會(huì)給近距離操縱的人員帶來傷害。因此從總體來看，設(shè)計(jì)出的基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置具備廉價(jià)、快捷和安全的優(yōu)勢(shì)。

3 ?結(jié) ?論

綜上所述，在無人機(jī)飛行空間日漸復(fù)雜的背景下，還要加強(qiáng)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，以便使無人機(jī)能夠安全完成飛行任務(wù)，避免帶來過多人力、物力損失。設(shè)計(jì)基于陀螺儀的無人機(jī)保護(hù)裝置，可以通過內(nèi)置無人機(jī)和外連萬向支架實(shí)現(xiàn)球形鏤空外殼的嵌套，形成的保護(hù)球能夠圍繞無人機(jī)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，為內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供全方位保護(hù)，促使無人機(jī)野外探索能力得到提高，能夠在各種狹小空間中得到適用。因此設(shè)計(jì)該保護(hù)裝置，未來在無人機(jī)探測(cè)領(lǐng)域?qū)@得較好應(yīng)用前景。

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作者簡介：王志港（1997.06-），男，漢族，山東泰安人，本科，研究方向：自動(dòng)化;郝傳柱（1983.04-），男，漢族，山東聊城人，講師，工程師，本科，研究方向：自動(dòng)化、控制工程。