基于六旋翼的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉小軍，溫宏愿，劉 超，陳梓標(biāo)，宋 濤

(1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300； 2.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題特別是水質(zhì)污染問(wèn)題，越來(lái)越得到國(guó)民的重視。近年來(lái)由重金屬和化學(xué)品引發(fā)的地表水污染事件不時(shí)出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。當(dāng)水質(zhì)污染事件發(fā)生時(shí)，必須快速準(zhǔn)確找到污染物源頭，并適時(shí)采樣進(jìn)行定性或定量的研究，這在一定程度上提高了水質(zhì)檢測(cè)應(yīng)急處理的技術(shù)要求。

在復(fù)雜的工作環(huán)境下，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)存在靈活性差、危險(xiǎn)系數(shù)高等缺點(diǎn)；采用無(wú)人船替代人工可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離水質(zhì)采樣檢測(cè)，實(shí)時(shí)移動(dòng)追蹤污染源[2-3]，但同時(shí)也存在諸如水面有大量障礙物、急速水流時(shí)無(wú)法到達(dá)檢測(cè)地點(diǎn)的情況。

多旋翼無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性好、操控方便、作業(yè)選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)[4]、林業(yè)[5]、地形測(cè)繪[6]、電力[7]、災(zāi)害監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)[8]等領(lǐng)域。筆者設(shè)計(jì)了一種基于六旋翼的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)，該系統(tǒng)將采水裝置和機(jī)載相機(jī)搭載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)高效、可視化水質(zhì)采樣作業(yè)，旨在為今后水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)水質(zhì)采樣作業(yè)要求，多旋翼無(wú)人機(jī)需要能夠輕松承載水質(zhì)采樣器和水樣，且在水面上方低空穩(wěn)定飛行、持續(xù)作業(yè)。多旋翼無(wú)人機(jī)一般分為四軸、六軸和八軸無(wú)人機(jī)[9]，六旋翼無(wú)人機(jī)相比于四旋翼無(wú)人機(jī)具有穩(wěn)定性能高，抗風(fēng)性能好的優(yōu)勢(shì)；相對(duì)于八軸無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，在載荷相同的條件下，六旋翼無(wú)人機(jī)單次起降能夠完成更多的作業(yè)任務(wù)。水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)需要載重1.5 L的采樣水，在續(xù)航能力、穩(wěn)定性以及抗風(fēng)性的綜合考慮下，決定選用六旋翼無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)。

基于六旋翼的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)實(shí)物如圖1所示?；诹淼乃|(zhì)采樣無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由六旋翼無(wú)人機(jī)和水質(zhì)采樣裝置兩個(gè)子系統(tǒng)組成。其中六旋翼無(wú)人機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、云臺(tái)相機(jī)等部分構(gòu)成，負(fù)責(zé)按要求飛到指定的水質(zhì)采樣地點(diǎn)；水質(zhì)采樣裝置主要完成水質(zhì)采樣任務(wù)。

圖1 六旋翼水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，操作員使用地面站將飛行控制指令通過(guò)2.4 GHz無(wú)線通信方式發(fā)送給接收機(jī)，接收機(jī)將控制信號(hào)發(fā)送給飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號(hào)、姿態(tài)解算結(jié)果和控制算法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制量，并將控制量通過(guò)電子調(diào)速器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的三相電壓值，進(jìn)而控制直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到靈活控制無(wú)人機(jī)飛行的目的。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到指定位置時(shí)，懸停于水面上方指定高度，操作遙控器的撥桿控制水質(zhì)采樣裝置進(jìn)行水質(zhì)采樣作業(yè)，同時(shí)云臺(tái)相機(jī)傳輸視頻，方便操作者觀察水面作業(yè)情況。在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，可以通過(guò)地面站實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行情況。

2 六旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

使用 SolidWorks 進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了確保飛行的穩(wěn)定性，以及大載荷下機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠性 ，設(shè)計(jì)的六旋翼水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

從圖3可知，六旋翼無(wú)人機(jī)零部件主要由機(jī)架中心板、機(jī)臂、鏈接件、電機(jī)機(jī)座、鋰電池、GPS模塊、飛行控制器、螺旋槳、無(wú)刷電機(jī)、電子調(diào)速器(簡(jiǎn)稱“電調(diào)”)、接收機(jī)和起落架等構(gòu)成。機(jī)臂、電機(jī)和螺旋槳以正六邊形方式均勻地分布在無(wú)人機(jī)周?chē)?，電機(jī)安裝在電機(jī)機(jī)座上。

圖3 六旋翼無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.機(jī)臂 2.電子調(diào)速器 3.中心板(下板) 4.鏈接件 5.中心板(上板) 6.鋰電池 7.GPS模塊 8.飛行控制器 9.螺旋槳 10.電機(jī)機(jī)座 11.接收機(jī) 12.無(wú)刷電機(jī) 13.云臺(tái)相機(jī) 14.起落架

2.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架中心板選用高強(qiáng)度碳纖維材料，由上中心板和下中心板構(gòu)成，上、下中心板分別通過(guò)24個(gè)螺紋孔連接六個(gè)機(jī)臂折疊件的上下端進(jìn)行固定。上、下中心板之間形成鏤空[10]，用于放置電子調(diào)速器、電源模塊以及各單元連接的導(dǎo)線部分。上、下中心板通過(guò)雕刻加工設(shè)有眾多圓孔和直槽口，用于飛行控制器、鋰電池、GPS模塊以及水質(zhì)檢測(cè)裝置的固定，此結(jié)構(gòu)可以減輕機(jī)架中心板重量，且有助于通風(fēng)散熱。

此外，無(wú)人機(jī)進(jìn)行負(fù)載作業(yè)時(shí)，整體機(jī)架必須具備足夠的承載力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，才能達(dá)到飛行的穩(wěn)定性和耐受力。機(jī)臂由于其特殊的結(jié)構(gòu)，承受的作用力最大，有必要對(duì)機(jī)臂部分進(jìn)行強(qiáng)度校核。機(jī)臂采用主流的碳纖維管材質(zhì)，其應(yīng)力大小σ為7 GPa，所以水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的機(jī)臂所承受的最大應(yīng)力大小應(yīng)小于7 GPa。對(duì)整個(gè)等截面杵件來(lái)說(shuō)，彎矩產(chǎn)生了水平面彎曲，最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上，也就是邊緣點(diǎn)位置。由應(yīng)力計(jì)算公式(1)～(3)可計(jì)算出應(yīng)力大?。?/p>

(1)

(2)

(3)

式中：直徑D為20 mm，壁厚d為2 mm，Mmax表示滿載重量，大小為8.30 kg，WZ表示抗彎界面系數(shù)。

本設(shè)計(jì)采用直徑15英寸的螺旋槳，為了使螺旋槳的工作效率最大化，相鄰槳葉間應(yīng)留有100 mm距離[11]，六旋翼無(wú)人機(jī)相鄰臂長(zhǎng)的角度為60°且臂長(zhǎng)相等，計(jì)算得到理論機(jī)臂長(zhǎng)度為481 mm，考慮機(jī)臂安裝位置距離中心板中心點(diǎn)約100 mm，實(shí)際機(jī)臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為381 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)主要包括鋰電池、電調(diào)、電機(jī)和螺旋槳等部件，給無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行提供足夠的動(dòng)力，對(duì)水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的帶載作業(yè)有著決定性的作用，是飛行設(shè)計(jì)任務(wù)中必不可少的一環(huán)。

2.2.1 電機(jī)選型設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮電機(jī)所承載的拉力是否滿足無(wú)人機(jī)在最大載荷情況下的穩(wěn)定飛行。設(shè)水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的空載重為Mk，采樣水重量為Mc，滿載條件下的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的總重量為Mmax，每個(gè)電機(jī)拉力為F，電機(jī)數(shù)量為N，有如下關(guān)系：

Mmax=Mk+Mc

(4)

(5)

水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，采樣裝置和無(wú)人機(jī)通過(guò)吊索連接，有風(fēng)的情況下會(huì)增加作業(yè)難度，考慮安全裕量，平均到每個(gè)電機(jī)的最小拉力滿足：

Fmin=(1+α)F

(6)

水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的空載質(zhì)量Mk=6.80 kg，采樣水重量Mc=1.5 kg，電機(jī)數(shù)量N=6，安全裕量因子σ取0.3，根據(jù)公式(4)～(6)，求得水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)滿載作業(yè)時(shí)，單個(gè)電機(jī)所需提供的最小拉力為 1.80 kg，空載作業(yè)時(shí)，單個(gè)電機(jī)的最小拉力為 1.47 kg。

無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中的拉力大小是根據(jù)電機(jī)所匹配的螺旋槳共同決定的，結(jié)合實(shí)際需求，選用kV值為340的颶風(fēng)4110電機(jī)搭配1555螺旋槳。電機(jī)參數(shù)如表1所列，電機(jī)搭配1555螺旋槳在25 V電壓下的性能參數(shù)列表如表2所列。

表1 電機(jī)參數(shù)列表

表2 颶風(fēng)kV340搭配1555槳在25 V電壓下性能參數(shù)列表

電調(diào)和電機(jī)直接相連，驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速。由表1可知，電機(jī)的最大工作電流為19 A，考慮2倍安全裕量，通常電調(diào)的最大電流應(yīng)大于38 A，選用X-Rotor 40A作為水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)的電調(diào)符合電流的設(shè)計(jì)要求。

由表2可知，颶風(fēng)4110 kV340電機(jī)搭配1555螺旋槳在25 V電壓下的最大拉力為2.33 kg，符合滿載條件下的電機(jī)拉力需求設(shè)計(jì)。

2.2.2 電池選型設(shè)計(jì)

電池續(xù)航問(wèn)題一直制約著多旋翼無(wú)人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用發(fā)展，因此在電池的設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮電池的容量大小。水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，電量主要為電機(jī)所消耗，忽略其他部件電量消耗，電池放電電流If(mA)、單個(gè)電機(jī)工作電流Is(mA)、電池容量C(mA·h)、水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間T(h)滿足如下關(guān)系：

If=NIs

(7)

C=kIfT

(8)

式中：k為安全因子，取1.3。

由上述所知，水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)空載時(shí)單個(gè)電機(jī)的拉力為1.47 kg，由表2可知單個(gè)電機(jī)的工作電流約為8 A，設(shè)計(jì)的空載飛行時(shí)間為0.25 h，由公式(7)、(8)可得容量C為15 600 mA·h；同理，水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)滿載時(shí)單個(gè)電機(jī)的拉力為1.8 kg，單個(gè)電機(jī)的工作電流約為11 A，設(shè)計(jì)的滿載飛行時(shí)間為0.18 h，可得容量C為15 444 mA·h。經(jīng)計(jì)算，選用一塊容量為16 000 mA·h、電壓為25.2 V的6S格式鋰電池給無(wú)人機(jī)供電，滿足無(wú)人機(jī)滿載和空載條件下對(duì)電池容量大小的需求。

此外，無(wú)人機(jī)軸距是無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)指標(biāo)，軸距與螺旋槳長(zhǎng)度的關(guān)系如下：

L′=(L×25.4)×2

(9)

式中：L表示螺旋槳的長(zhǎng)度；L′表示軸距。

根據(jù)公式(9)計(jì)算得到六旋翼無(wú)人機(jī)的軸距至少為762 mm，根據(jù)機(jī)臂和中心板長(zhǎng)度大小，無(wú)人機(jī)的軸距為 962 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。此外，為了降低無(wú)人機(jī)收起后的寬度,增加運(yùn)輸方便性和外表美觀度，采用向下可折疊機(jī)臂設(shè)計(jì)，六旋翼無(wú)人機(jī)的起落架高度應(yīng)大于臂長(zhǎng)，高度設(shè)計(jì)為400 mm，起落架的底部設(shè)有海綿套，在無(wú)人機(jī)降落的過(guò)程中可以起到緩沖作用。

2.3 飛行控制器選型

飛行控制系統(tǒng)是六旋翼無(wú)人機(jī)的重要組成部分，承擔(dān)無(wú)人機(jī)姿態(tài)傳感器的檢測(cè)和結(jié)算、數(shù)據(jù)通信、電機(jī)控制等，其中飛行控制器是核心部件?？紤]到硬件成本和開(kāi)源特性，基于Pixhawk開(kāi)源硬件平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用雙處理器架構(gòu)，分別以擅長(zhǎng)強(qiáng)大運(yùn)算的32bit的STM32F427為主處理器，以故障應(yīng)對(duì)的STM32F103為協(xié)處理器，搭載陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)等外圍芯片電路，經(jīng)飛行測(cè)試，性能良好、飛行穩(wěn)定。

飛控軟件采用Pixhawk的原生固件，是專(zhuān)門(mén)為Pixhawk設(shè)計(jì)，包括Nuttx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件和飛行控制棧3個(gè)基本組成部分[12]。Nuttx嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上采用多線程、模塊化設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度和通信；中間件相當(dāng)于硬件抽象層，提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；飛行控制棧主要實(shí)現(xiàn)六旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)解算、自主穩(wěn)定飛行等。

3 水質(zhì)采樣裝置設(shè)計(jì)

水質(zhì)采樣裝置固定在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，由控制系統(tǒng)和取水器組成，控制系統(tǒng)包括電機(jī)、吊索、線盤(pán)等組件，取水器包括容器、限位塊、配重塊和出水管，容量為1.5 L，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水質(zhì)采樣裝置結(jié)構(gòu)圖 圖5 水質(zhì)采樣裝置實(shí)物圖1.電機(jī) 2.吊索 3.安裝板 4.線盤(pán) 5.限位塊 6.容器

裝置整體材質(zhì)采用鋁合金、碳纖維板以及耐腐蝕性材料制作，由鋰電池直接供電，共用無(wú)人機(jī)遙控器和接收機(jī)，支持遙控器接收機(jī) PMW和SBUS類(lèi)型，設(shè)置三段開(kāi)關(guān)即可控制取水器升降。采用全自動(dòng)上行/下行限位設(shè)計(jì)，避免過(guò)放下行和過(guò)收操作失誤，確保取水后飛行重心穩(wěn)定，保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，實(shí)物圖和設(shè)計(jì)參數(shù)如圖5、表3所示。

表3 水質(zhì)采樣裝置參數(shù)列表

4 試驗(yàn)結(jié)果

在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)和水質(zhì)采樣裝置的設(shè)計(jì)后，各部件經(jīng)生產(chǎn)加工、選型并組裝成如圖1所示的六旋翼可視化水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)，整體外行尺寸1 152 mm×1 072 mm×451 mm，空載重量6.80 kg。

4.1 空載測(cè)試

無(wú)人機(jī)作業(yè)測(cè)試前，需對(duì)其進(jìn)行空載飛行測(cè)試，確保無(wú)人機(jī)飛行具有良好的穩(wěn)定性和操控性，包括油門(mén)控制、通信數(shù)據(jù)鏈、水質(zhì)采樣裝置升降等。測(cè)試地點(diǎn)選在校園空曠地帶，測(cè)試內(nèi)容包括無(wú)人機(jī)各模塊的正確連接，起飛降落的狀態(tài)、前后左右升降飛行的操控性、懸停狀態(tài)的穩(wěn)定性、無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)等。

4.2 作業(yè)測(cè)試

完成無(wú)人機(jī)空載飛行測(cè)試后，接下來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)水質(zhì)采樣作業(yè)測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)選擇學(xué)校內(nèi)湖。當(dāng)天天氣情況為：最高氣溫10 ℃，最低氣溫3 ℃，濕度40%，風(fēng)力3～4級(jí)，屬于正常的作業(yè)天氣。首先進(jìn)行手動(dòng)飛行作業(yè)，通過(guò)遙控器操控?zé)o人機(jī)到指定的采水地點(diǎn)，待無(wú)人機(jī)懸停穩(wěn)定后，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制電機(jī)放下采水裝置，裝置進(jìn)入水下自動(dòng)采水。通過(guò)機(jī)載相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)可視化作業(yè)，降低作業(yè)難度的同時(shí)提升了水質(zhì)采樣的準(zhǔn)確性。采水完成后，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)收起裝置，控制無(wú)人機(jī)返回降落點(diǎn)。作業(yè)狀態(tài)如圖6、7所示。

圖6 作業(yè)實(shí)測(cè)圖 圖7 云臺(tái)相機(jī)畫(huà)面

如遇到飛行距離遠(yuǎn)、飛行視野不好的情況，可采用自動(dòng)飛行模式。通過(guò)地面站對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行規(guī)劃，借助機(jī)載GPS和地圖實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能，當(dāng)無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃路線飛到指點(diǎn)作業(yè)地點(diǎn)后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入懸停狀態(tài)，然后進(jìn)行采水作業(yè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)突發(fā)性水質(zhì)污染事件發(fā)生時(shí)，如何快速進(jìn)行水質(zhì)采樣的問(wèn)題，提出了一種基于六旋翼的水質(zhì)采樣無(wú)人機(jī)系統(tǒng)方案，重點(diǎn)對(duì)方案的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論證分析，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了將采水裝置和機(jī)載相機(jī)搭載于無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)高效的可視化水質(zhì)采樣作業(yè)，該裝置具有操控簡(jiǎn)單、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。