王晨懿

摘 要：四軸飛行器是一類旋翼式飛行器，已在多種領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)有的四周飛行器不能進(jìn)行有效地自動(dòng)避障，難以面對(duì)復(fù)雜多變的危險(xiǎn)環(huán)境。該文結(jié)合紅外反射式傳感器，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)避障的微型四軸飛行器，對(duì)其基本運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，并確定了一種對(duì)姿態(tài)測(cè)量的算法，為進(jìn)一步研究打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：探測(cè)安防 智能 四軸飛行器

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0102-02

四軸飛行器是一類旋翼式飛行器，擁有4個(gè)相同結(jié)構(gòu)螺旋槳，共同為飛行器提供動(dòng)力。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、飛行穩(wěn)定等特點(diǎn)，且技術(shù)成熟，已在多種領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。四軸飛行器可以輕松地前往危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，不僅節(jié)省人力資源，更提高了安全效率。但現(xiàn)有的多數(shù)四軸飛行器不能進(jìn)行有效地自動(dòng)避障，難以面對(duì)復(fù)雜多變的危險(xiǎn)環(huán)境。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要組成部分包括機(jī)身、螺旋槳、電機(jī)、控制中心和應(yīng)用模塊。

機(jī)身是電機(jī)和控制中心的承載平臺(tái)，也起到保證電機(jī)之間相對(duì)位置的作用。該微型四軸飛行器機(jī)身采取“X”型，即，為節(jié)省研究成本，原型機(jī)機(jī)身選擇泡沫塑料板。實(shí)際成品則可采用鋁合金。

螺旋槳包括兩對(duì)正反槳葉，與電機(jī)一起固定在機(jī)身各軸的末端，且螺旋槳葉平面與機(jī)身十字軸平行。參考同量級(jí)的四軸飛行器，該微型四軸飛行器的螺旋槳長(zhǎng)度選擇為55 mm[1]。

電機(jī)選擇7 mm×16 mm 空心杯有刷電機(jī)。其傳動(dòng)軸直徑0.8 mm，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速38 000 r/min，額定工作電壓3.7 V，最大工作電流1 100 mA。4個(gè)電機(jī)呈“X”型分布，如圖1，對(duì)角電機(jī)位之間的距離取330 mm。空心杯電機(jī)有別于傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，具有十分突出的節(jié)能、控制和拖動(dòng)特性。有刷電機(jī)自帶換向器，通電即可工作。

慣性導(dǎo)航模塊由3個(gè)方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成，起到保證飛行器穩(wěn)定飛行的作用。導(dǎo)航模塊可以計(jì)算出飛行器實(shí)時(shí)相對(duì)地面的姿態(tài)以及加速度、角速度。依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，飛行控制器可以通過(guò)算法計(jì)算出保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需的旋轉(zhuǎn)力和升力，再由電子調(diào)控器保證電機(jī)輸出合適的力。

為了避開探測(cè)時(shí)遇到的障礙物，該四軸飛行器安裝了紅外反射式傳感器。它有一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管，紅外線發(fā)射管會(huì)發(fā)射紅外線（波長(zhǎng)是780 nm～1 mm），紅外線照射到物體后就會(huì)被反射回來(lái)由另一個(gè)接收管接收到。通過(guò)距離的測(cè)定，飛行器就能有效地避開障礙物，提高探測(cè)效率。

為了提高探測(cè)的精確性，還可以采用檢測(cè)反射光強(qiáng)度的方法進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。其原理是把調(diào)制后的發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外線發(fā)射管發(fā)射出去，由光敏三級(jí)管接收。用戶可以設(shè)定紅外反射式光電傳感器接收端的輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為檢測(cè)到目標(biāo)的界限，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的閥值可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)不同距離的物體。

為了應(yīng)對(duì)不同情況的探測(cè)安防任務(wù)，飛行器可以根據(jù)實(shí)際情況搭載不同的傳感器檢測(cè)裝置，如氣敏傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器和高清的攝像頭拍攝裝置，并配備相應(yīng)的信號(hào)處理電路。傳感器采集相關(guān)的信號(hào)進(jìn)行處理，再傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行各類轉(zhuǎn)換，以此完成各類探測(cè)安防任務(wù)。系統(tǒng)微控制器選用STM32微控制器[3]。

2 運(yùn)動(dòng)分析

2.1 基本原理

四軸飛行器具有6個(gè)活動(dòng)自由度，即沿3個(gè)坐標(biāo)軸做平移和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，但是它只有4個(gè)控制自由度（4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）的系統(tǒng)，因?yàn)榭刂谱杂啥炔坏扔诨顒?dòng)自由度，所以四軸飛行器是欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是對(duì)于姿態(tài)控制本身（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），四軸飛行器是完整驅(qū)動(dòng)（控制自由度等于活動(dòng)自由度）的。

四軸飛行器的基本運(yùn)動(dòng)原理為：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。

避障的工作原理是：紅外反射式傳感器檢測(cè)到障礙物后，將障礙物位置的信號(hào)送入單片機(jī)；單片機(jī)進(jìn)行程序處理后，根據(jù)不同的障礙物位置信號(hào)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；最后電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出不同PWM信號(hào)，使得左邊兩個(gè)和右邊兩個(gè)電機(jī)產(chǎn)生速度差，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，達(dá)到自動(dòng)避障的目的。

2.2 基本運(yùn)動(dòng)

微型探測(cè)安防智能四軸飛行器包含4種基本的運(yùn)動(dòng)方式：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)。

垂直運(yùn)動(dòng)：同時(shí)增加4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)總拉力大于整機(jī)重量，飛行器便離地垂直上升。反之，同時(shí)減小4個(gè)電機(jī)的輸出功率，四飛行器則垂直下降，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)，旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器自重，飛行器保持懸停狀態(tài)。垂直運(yùn)動(dòng)中四旋翼轉(zhuǎn)速必須同步增加或減小。

俯仰運(yùn)動(dòng)：電機(jī)2、電機(jī)4轉(zhuǎn)速不變的前提下，電機(jī)1轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3轉(zhuǎn)速下降（為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等），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)。

滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：同俯仰運(yùn)動(dòng)的原理相同，保持電機(jī)1、電機(jī)3轉(zhuǎn)速不變的前提下，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，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)。

偏航運(yùn)動(dòng)：由于空氣阻力作用，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩。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。因?yàn)殡姍C(jī)的總升力不變，飛機(jī)不會(huì)發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)。

3 姿態(tài)測(cè)量算法的選擇

飛行姿態(tài)是真實(shí)飛行物體與參考坐標(biāo)系之間的角度關(guān)系，通過(guò)姿態(tài)的測(cè)量可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整飛行器，保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。加速度傳感器測(cè)量由物體重力加速度引起的加速度量，角速度傳感器（陀螺儀）用來(lái)測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)角度變化速率。但因?yàn)殡姍C(jī)持續(xù)工作使飛行器產(chǎn)生較大震動(dòng)，加速度傳感器的測(cè)量會(huì)受到很大噪聲（震動(dòng)及加速運(yùn)動(dòng)）影響，而角速度傳感器（陀螺儀）因?yàn)樽陨淼男D(zhuǎn)也會(huì)有較大的誤差積累，所以必須采用一種融合算法得到相對(duì)更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合紅外反射式傳感器，可以有效地探測(cè)障礙物，實(shí)現(xiàn)飛行器的自動(dòng)避障，有利于對(duì)復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境的探測(cè)。根據(jù)實(shí)際需要，該微型四軸飛行器可加載各類傳感器，進(jìn)行探測(cè)安防。飛行器的運(yùn)動(dòng)由垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏航運(yùn)動(dòng)4種基本運(yùn)動(dòng)組合而成，可以滿足各種環(huán)境的需求。通過(guò)加速度傳感器和角速度傳感器（陀螺儀）可以實(shí)時(shí)測(cè)量飛行數(shù)據(jù)，調(diào)整飛行狀態(tài)。該文也通過(guò)查閱資料找到一種較好的融合算法，可以得到更精確的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整飛行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳振興.基于STM32的微型四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 閆錦龍.帶自動(dòng)避障系統(tǒng)的智能四軸飛行器的設(shè)計(jì)[D].安徽大學(xué)，2014.

[3] 叢吉，王立忠，宋揚(yáng)，等.多功能探測(cè)安防智能四軸飛行器的研制[J].高師理科學(xué)刊，2014（1）：41-43.