一種微型折疊四軸飛行器的設計

李家偉 聞 凱 楊 帆 朱 朕

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京211156）

微型折疊四軸飛行器是一款由飛控系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、搜索系統(tǒng)以及4 個螺旋槳組成的飛行器。其中，飛控系統(tǒng)相當于飛行器的控制大腦中樞，通過輸出pwm波以此來實現(xiàn)對飛行器的控制[1]。舵機系統(tǒng)，通過改變舵量行程來變換機臂角度，已達到折疊的目的。電機系統(tǒng)，即飛行器的動力來源。搜索系統(tǒng)，由微型攝像頭和圖傳組成，提供實時圖像數(shù)據(jù)。螺旋槳，通過旋轉(zhuǎn)為飛行器提供升力。通過整合上述各系統(tǒng)，來搭建微型折疊四軸飛行器。

1 折疊機構(gòu)的設計

折疊四軸飛行器同普通四軸飛行器的設計原理相同，即通過四個電機配合螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下的力為飛行器提供升力[2]。但不同于普通四軸飛行器的固定機臂，微型折疊飛行器通過在機臂處增加舵機以達到旋轉(zhuǎn)機臂的目的，如圖1 所示。通過舵機改變舵量控制機臂角度，來達到減小尺寸，增加飛行效率的作用。通過舵機控制，微型折疊飛行器飛行檔位分為折疊檔位、快速檔位、懸停檔位以及普通檔位，原理是通過機臂旋轉(zhuǎn)調(diào)整飛機重心以達到飛行模式的轉(zhuǎn)換和促進飛行品質(zhì)的提升。

圖1 飛行器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

2 飛控系統(tǒng)的設計

飛控需連接地面站來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，一般通過數(shù)字電臺來實現(xiàn)無線連接。其一般具有自動模式、手動模式、手動自動混合模式。其中第一種方式是飛行器起飛前，通過操作地面站將預先設置好的飛行方案寫入飛控后自動起飛，通過飛控上的傳感系統(tǒng)自行控制，按照預先設置好的飛行方案飛行；第二種方式則為地面駕駛員通過遙控發(fā)射器來控制飛行器；第三種方式一般為飛控未按照預先設置的飛行計劃飛行，為確保飛行安全而采取一定的人工干預，多在飛控自動控制失效或地面人員誤輸入錯誤的參數(shù)下造成飛行計劃失敗的情況下使用。

微型折疊四軸飛行器的尺寸較小，相對于普通四軸飛行器容易受到天氣的影響，其中風的因素對其影響最大，嚴重影響高度傳感器和速度傳感器的功能，故微型折疊四軸飛行器的高度傳感器與速度傳感器相較于普通四軸飛行器需通過不同的算法來克服這一不穩(wěn)定因素。

2.1 高度算法

微型折疊四軸飛行器為了較為準確的得到高度信息則采用將各個參數(shù)通過差分方式計算來得到高度作為參考值。通過利用不同的差分方式來得到不同的高度信息數(shù)值。正常情況下通過抽成處理，氣壓傳感器內(nèi)部壓力為0，高度發(fā)生改變，則氣壓發(fā)生改變，變化的氣壓差使內(nèi)部傳感器發(fā)生一定的形變，通過計算形變量來得到外界氣壓值，以此來得到飛行器目前的高度信息。未補償溫度因素的氣壓高度為

2.2 空速算法

空速通常所指為飛行器與氣流的相對速度。空速數(shù)值需處于在一定的安全速度范圍內(nèi)，否則飛控可能因為失控而引發(fā)墜機事故。飛行器低速時氣流為不可壓氣流，此時空速：

其中aH為當?shù)匾羲佟 為絕熱系數(shù)1.4。壓差傳感器通過獲取靜壓和全壓的壓力差信息后計算可以得較為準確的空速值[3]。

3 動力系統(tǒng)的設計

電機選用F1103 kv4000 系列無刷電機BLDC，其具有質(zhì)量輕、拉力大、效率高、低能耗、壽命長，對飛控系統(tǒng)干擾小等優(yōu)勢，是列微型折疊四軸飛行器的首選。一般BLDC 電機的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時，通過在定子上鑲嵌的霍爾傳感器得到相應的電平信號，電平信號不同，則當前轉(zhuǎn)子所受到的磁極不同。根據(jù)霍爾傳感器不同的信號組合，就能決定電機換向的精確順序。在實際情況中，氣隙中由于空氣電阻會造成一定的風阻損失。計算轉(zhuǎn)矩時要留出20%的安全裕度。

轉(zhuǎn)速范圍需考慮氣流對機體的升力影響以及機身載荷的變化范圍，所以也需留有10% 的安全裕度。其中電機系統(tǒng)能量來源采用高密度鋰電池。用開關(guān)電路判斷電機是否導通。電調(diào)使用無刷式集成電調(diào)，既可根據(jù)飛控信號調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，也可減小飛行器的質(zhì)量和體積，以便裝備其他相應的傳感器。

4 感知系統(tǒng)的設計

4.1 圖像傳輸系統(tǒng)的設計

因為微型折疊飛行器抗風能力較弱，回傳畫面晃動明顯，故圖傳系統(tǒng)需采用防抖算法來確?；貍鳟嬅娣€(wěn)定。CMOS 攝像頭模塊采集視頻，經(jīng)由5.8GHz 頻段實時傳輸至接收端，經(jīng)過視頻穩(wěn)像去抖算法處理，獲得穩(wěn)定、清晰的回傳畫面。

4.2 防抖算法的設計

首先，利用角點檢測算法提取角點，并使用已提取的角點計算兩個連續(xù)幀之間的光流；接下來，用仿射變換模型，代入經(jīng)光流計算后保留的角點，計算運動參數(shù)；隨后，利用由卡爾曼和低通濾波器組成的混合濾波器平滑運動參數(shù)；最后，用平滑后的參數(shù)對幀做仿射或剛度變換，以獲得穩(wěn)定的視頻幀序列[3]。

角點檢測算法: 通過最小化定義如下的函數(shù)來計算兩個連續(xù)幀之間像素點的運動。

其中，（px, py）表示第一幀圖像P 上的像素點，（nx, ny）表示第二幀圖像N 上的像素點，（vx, vy）表示在圖像上的移動速度，(x,y)表示在對應幀圖像上的像素坐標點。[3]

通過利用卡爾曼濾波除去高斯白噪聲，再將獲得的運動參數(shù)傳入對高斯分布規(guī)律采樣的低通濾波器，以除去高斯色噪聲，獲得平滑的運動參數(shù)。最后幀序列通過相應的矩陣排列得到穩(wěn)定、去抖的圖像畫面。

4.3 聲音回傳系統(tǒng)的設計

因為微型折疊飛行器的旋翼在飛行過程中高速旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生空氣動力噪聲，對于聲音回傳系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的噪音，不利于使用者對于實時現(xiàn)場聲音的判斷，需設計相應降噪算法以減弱空氣動力噪聲。

數(shù)字平均器能夠有效恢復淹沒在噪聲中的周期信號的波形，用途廣泛。一般情況下，可以將空氣動力噪聲視為正弦波并存在周期性，使用遞推式平均算法

帶有噪聲的周期脈沖信號進行仿真：假設周期脈沖頻率100Hz，脈沖波形為正弦波，脈沖峰值電平0.05V；噪聲n 是高斯分布白噪聲，均值為0，交流有效值為1V。使用MATLAB 軟件進行仿真，分別仿真平均10 次、100 次、1000 次、10000 次的輸出結(jié)果，并得出波形，如圖2 所示。

圖2 仿真運行結(jié)果

從模擬結(jié)果得知，隨著平均次數(shù)越來越大，信號恢復得越來越好，噪聲分量越來越小，信噪比得到不斷的改善。與模擬取樣平均相比，數(shù)字式平均需要使用A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而模數(shù)轉(zhuǎn)換需要時間，因此取樣脈沖不宜做得很窄，所以數(shù)字式平均更加適用于低頻以及中頻信號的恢復；反之，取樣積分的取樣門可以做得很窄，因此模擬取樣平均更加適用于高頻信號的恢復。

在實際過程中，影響空氣動力噪聲的因素很多，且噪聲波形也會產(chǎn)生驟變，此方法雖不能解決空氣動力噪聲，但通過此方法可以在一定情況下削弱空氣動力噪聲對于聲音回傳系統(tǒng)的干擾，對于后續(xù)相關(guān)算法的研究具有參考意義。

5 結(jié)論

本文主要介紹設計一款微型折疊四軸飛行器所需要的幾個重要模塊和方法，對折疊機構(gòu)、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、感知系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)方案進行了闡述與研究，分析了實際過程中可能遇到的問題并提出了相應的解決方法，推導了和補充了相關(guān)計算公式，對實際設計與應用微型四軸飛行器具有較高的參考價值。