四旋翼無人機(jī)帶機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與研究

鮑佳松

摘要：四旋翼無人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，在國家建設(shè)以及工程中扮演著越來越重要的角色。目前研究四旋翼無人機(jī)姿態(tài)及機(jī)身設(shè)計(jì)的文章較多，但是很少有帶機(jī)械手臂的無人機(jī)。因此，本文采用了以往常見的無人機(jī)模型，設(shè)計(jì)出機(jī)械手臂，既能保證無人機(jī)飛行過程的平穩(wěn)性，而且保證抓取東西的快速、準(zhǔn)確性。本文不僅設(shè)計(jì)了無人機(jī)的整體形態(tài)，而且選擇了適合無人機(jī)飛行的硬件設(shè)施，為工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字：四旋翼飛行器;機(jī)械手臂;抓取;硬件設(shè)施

一、前言

目前，國內(nèi)外研究無人機(jī)的人員越來越多，先進(jìn)的無人機(jī)也層出不窮。但是大多數(shù)研究者只是關(guān)注于飛行姿態(tài)、飛行穩(wěn)定性，而帶有機(jī)械手的無人機(jī)則研究較少。在近年來，無人機(jī)不管是在飛行姿態(tài)、操縱系統(tǒng)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等都有長足發(fā)展，但是帶有機(jī)械手的無人機(jī)動(dòng)態(tài)操作等問題還比較突出。

在設(shè)計(jì)研究當(dāng)中，無人機(jī)加上先進(jìn)的操縱手臂之后，不僅改變了飛行器的整體重量，而且對于飛行中的控制提出了較大問題。在無人機(jī)飛行過程中，抓取動(dòng)作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性是考慮的重要問題。比如說，無人機(jī)在告訴的飛行中，對于其飛行速度與飛行的時(shí)間要求比較高，這就要要求無人機(jī)能夠快速、及時(shí)地抓住物體，而且有時(shí)還需要對目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視，這樣就會(huì)避免因?yàn)樵胍舳鸬淖⒁?。除此之外，無人機(jī)動(dòng)態(tài)抓握功能可以擴(kuò)展到實(shí)時(shí)棲息，這可以用來快速地躲避大風(fēng)、通過減少懸停時(shí)間來提高續(xù)航時(shí)間。

華北電力大學(xué)張虎[1]等在眾多無人機(jī)研究的基礎(chǔ)上，利用四旋翼飛行器作為基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，研究了一種飛滑式輸電線巡檢機(jī)器人，這種無人機(jī)結(jié)合了現(xiàn)有的四旋翼飛行器與巡線機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)的具有飛行與線上滑行巡檢功能的機(jī)器人。Justin Thomas團(tuán)隊(duì)[2]在多年觀察仿生機(jī)械的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研究了一種采用被動(dòng)機(jī)制的機(jī)械手爪，這種手爪在抓取中能夠不受外界環(huán)境的干擾，同時(shí)在垂直起飛和著陸系統(tǒng)中啟用被動(dòng)棲息的設(shè)計(jì)上采用了優(yōu)化分析;Courtney E. Doyle團(tuán)隊(duì)[3]在多年針對放生機(jī)械研究的基礎(chǔ)上，在無人機(jī)上加入了受到控制的附屬物，使其能夠高速地鎖定對象并進(jìn)行抓取。

本文以無人機(jī)整體設(shè)計(jì)為核心，分別對無人機(jī)的控制系統(tǒng)、工作原理及控制做出介紹，合理選擇適合無人機(jī)的硬件，對工程應(yīng)用具有較大的指導(dǎo)價(jià)值。

二、無人機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.無人機(jī)控制系統(tǒng)組成

在整個(gè)的無人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)通過無線電與地面實(shí)現(xiàn)通信。在四旋翼無人機(jī)下方設(shè)置機(jī)械手，通過舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)[4-6]。操作人員可以在地面輸入指令，進(jìn)而控制飛行器的飛行狀態(tài)。同時(shí)，控制器還可以控制機(jī)械手的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抓舉、松開等動(dòng)作

2.無人機(jī)飛行器工作原理

四旋翼飛行器由四個(gè)螺旋槳驅(qū)動(dòng)，螺旋槳分別有獨(dú)立電機(jī)帶動(dòng)。在控制系統(tǒng)當(dāng)中，旋轉(zhuǎn)的力矩與平移動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了耦合。如果排除外界擾動(dòng)，旋翼就能夠產(chǎn)生與重力相等的升力，飛行器便處于懸停狀態(tài)[7]。同時(shí)另外一組螺旋槳一個(gè)速度增大，一個(gè)速度減小就會(huì)產(chǎn)生俯仰和滾動(dòng)的姿態(tài);兩組螺旋槳阻力矩的差異產(chǎn)生偏航姿態(tài)。

3.機(jī)械手控制

機(jī)械手的控制是此次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。手爪的設(shè)計(jì)要顧及到飛行器的相對移動(dòng)速度，這樣就能夠獲得相應(yīng)的載荷;同時(shí)要考慮到其棲息能力，適應(yīng)不同的環(huán)境，能夠在廣泛的區(qū)域停留。

4.無人機(jī)整體效果圖

三、硬件系統(tǒng)選擇

1.電調(diào)的選擇

電調(diào)一般選擇性能較高的無刷電子調(diào)速器。首先，電調(diào)的選擇要考慮到無人機(jī)工作的功率，其次要考慮續(xù)航能力與載荷，因此選擇無刷電機(jī)來與之匹配。。

2.電池的選擇

旋翼無人機(jī)所采用的電池為鋰電池，全稱為“鋰聚合物電池”（又稱高分子鋰電池），相對于其他比較傳統(tǒng)的電池來說，其重量輕、續(xù)航時(shí)間長，這樣就能更加好地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

3.遙控器選擇

無人機(jī)遙控器一般選擇美國的手遙控器以及日本的手遙控器。同時(shí)，遙控器可以控制多個(gè)目標(biāo)，如果接收機(jī)損害之后也能采用其他的遙控器所取代，不用再換遙控器，只需要進(jìn)行簡單的對碼設(shè)置即可[8]。即遙控器發(fā)射的信號(hào)接收機(jī)能收到并進(jìn)行解碼，并非任何遙控器都可以對上任意的接收機(jī)，應(yīng)根據(jù)制造商的規(guī)定，不同遙控器系列對不同接收機(jī)系列對碼有相應(yīng)的要求。

四、結(jié)論

此次的設(shè)計(jì)主要是對無人機(jī)整體、手臂的設(shè)計(jì)等進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)還是在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒有進(jìn)行較多的驗(yàn)證，因此沒有實(shí)物參數(shù)進(jìn)行支撐，因此，它在實(shí)際環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗干擾能力還有待進(jìn)一步的研究。同時(shí)，文章中選取了電調(diào)、電機(jī)及遙控器的選擇，針對無人機(jī)輕量化的研究還可以選擇7075不銹鋼鋁材、碳纖維管等輕質(zhì)材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]張虎.飛滑式輸電線路巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D ].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[2]程敏.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)構(gòu)建及控制方法的研究[D ].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[3]劉志軍.一種自主飛行四旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D ].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[4]郝文杰，劉浩，程吉利.基于紅外探測的四旋翼飛行器保護(hù)裝置設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014，（08）：17-18.

[5]張家琪.四旋翼直升機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制研究[D ].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6]程雪工 . 六旋翼無人飛行器設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[7]聶波紋 . 微小型六旋翼無人飛行器模型及表示方法研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[8]譚號(hào)云 . 控制工程學(xué)第三版[M]. 長沙：湖南大學(xué)出版社，2013：59-92.

（江蘇師范大學(xué) 江蘇徐州 221000）