趙毅　廖柏林　毛凱文

【摘 要】無(wú)人飛行器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)而在生活中有廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)無(wú)人飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動(dòng)作進(jìn)行探討具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。四旋翼飛行器作為小型無(wú)人飛行器的代表，擁有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和相對(duì)優(yōu)秀的平衡能力，故論文對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)探討。特別地，論文還從理論上對(duì)四旋翼飛行器的飛行動(dòng)作進(jìn)行了深入的受力分析?；谝陨戏治?，論文對(duì)arduino芯片與簡(jiǎn)單四旋翼飛行器的融合方法進(jìn)行研究，并基于arduino MEGA 2560芯片進(jìn)行避障功能擴(kuò)展。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；原理；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；飛行動(dòng)作；Arduino芯片；避障

中圖分類(lèi)號(hào)： V249.1；V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0048-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.021

Four-rotor Flight Action Analysis and Obstacle Avoidance Function Expansion

ZHAO Yi LIAO Bo-lin MAO Kai-wen

（College of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou，416000，China）

【Abstract】Unmanned aerial vehicles have a wide range of applications in life because of their simple structure and convenient operation.Therefore，it is of great practical significance to explore the structure，principle and flight movement of unmanned aerial vehicles.As a representative of small unmanned aerial vehicles，the quadrotor has a relatively simple structure and relatively good balance ability.Therefore，the paper discusses the structure，principle and flight movement of the four-rotor aircraft in detail.In particular，the paper also theoretically conducted an in-depth analysis of the flight behavior of the quadrotor.Based on the above analysis，the paper studies the fusion method of Arduino chip and simple quadrotor aircraft，and expands the obstacle avoidance function based on Arduino MEGA 2560 chip.

【Key words】Four-rotorcraft；Principle；Structural characteristics；Flight action；Arduino chip；Obstacle avoidance

0 引言

隨著科技的發(fā)展，信息的重要性也開(kāi)始凸顯，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始研究信息的采集、處理與反饋[1-4]。無(wú)人飛行器在獲取地面圖像信息上有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始對(duì)它的原理、PID控制[5-6]、飛行動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)建模分析[7]，其中也產(chǎn)生了一些對(duì)于四旋翼的經(jīng)典分析模型，也有研究人員對(duì)導(dǎo)航信息處理進(jìn)行研究[8-9]。民用無(wú)人飛行器應(yīng)用主要以無(wú)人飛行器搭載高清攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像、航拍[10]、農(nóng)業(yè)檢測(cè)、災(zāi)害搜救等方面的功能，而軍用無(wú)人飛行器則主要應(yīng)用于對(duì)軍事目標(biāo)的偵察、跟蹤、定點(diǎn)清除等方面。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性以及正反槳的應(yīng)用使其具有相對(duì)優(yōu)秀的平衡能力與較為簡(jiǎn)單的操作方法，這也是四旋翼飛行器[11]占民用飛行器市場(chǎng)較大份額的原因之一，本文主要就四旋翼飛行器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及飛行動(dòng)作進(jìn)行分析，但四旋翼飛行器的主流價(jià)格并不低，其原因主要有兩點(diǎn)，一是飛控芯片與控制芯片價(jià)格相對(duì)較貴，二是不開(kāi)源導(dǎo)致有較高專(zhuān)利費(fèi)用。Arduino是一個(gè)方便靈活、極易上手的開(kāi)源平臺(tái)，包含有軟件Arduino IDE和各種型號(hào)的Arduino開(kāi)發(fā)板，論文對(duì)Arduino 芯片與簡(jiǎn)單四旋翼飛行器的融合方法進(jìn)行研究，并基于Arduino MEGA 2560芯片進(jìn)行避障功能擴(kuò)展。

1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器也被稱(chēng)為四旋翼直升機(jī)，是一種六自由度的垂直升降機(jī)，因其在四個(gè)輸入力的作用下會(huì)產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)輸出所以四旋翼飛行系統(tǒng)也是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[12]，其原理是通過(guò)改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)所提供升力的大小和方向，以此實(shí)現(xiàn)合力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)、速度、位置等，其基本構(gòu)架是由四個(gè)兩兩對(duì)稱(chēng)旋臂搭載四個(gè)電機(jī)所組成，由旋臂結(jié)構(gòu)的不同分為十字形與X字形，其主要區(qū)別在于十字形穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，X字形相對(duì)靈活性較好[13]。

1.2 四旋翼飛行器原理

目前直升飛行器通過(guò)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)提供空氣反作用力的起飛方式所面臨的最大問(wèn)題是電機(jī)旋轉(zhuǎn)不僅會(huì)產(chǎn)生豎直方向的升力，還會(huì)產(chǎn)生水平方向的空氣扭矩力與慣性扭矩力，如不加控制便會(huì)產(chǎn)生飛行器繞某一方向瘋狂自轉(zhuǎn)的陀螺效應(yīng)[14]，因此大多數(shù)直升機(jī)會(huì)采用增加額外控制部件來(lái)抑制陀螺效應(yīng)，比如引入尾槳來(lái)抵消扭矩力[15]。

四旋翼飛行器的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)使不引入額外部件抵消扭矩力成為可能，通過(guò)控制兩個(gè)相對(duì)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并搭配反槳，另外兩個(gè)相對(duì)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)搭配正槳，來(lái)相互抵消空氣扭矩力與慣性扭矩力，從而抑制飛行器的陀螺效應(yīng)。

2 四旋翼飛行器飛行動(dòng)作

四旋翼飛行系統(tǒng)作為一種欠輸入系統(tǒng)，其在四個(gè)輸入力的作用下可以產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)這六種輸出狀態(tài)[16]。其飛行動(dòng)作皆可通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文著重介紹垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)。

2.1 垂直運(yùn)動(dòng)

在描述圖中規(guī)定沿X軸正方向運(yùn)動(dòng)為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼運(yùn)動(dòng)平面的上方代表此電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，在旋翼運(yùn)動(dòng)平面的下方代表此電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，定義旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橐悦鎸?duì)旋轉(zhuǎn)軸正方向時(shí)所觀察到的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轱w行器旋轉(zhuǎn)方向，定義電機(jī)1和電機(jī)3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并搭載反槳，定義電機(jī)2和電機(jī)4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并搭載正槳。

如圖1所示，理論上四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)是通過(guò)控制四個(gè)電機(jī)同時(shí)增加輸出功率，使四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速都增加來(lái)增大總升力，當(dāng)總升力足以克服飛行器總重力時(shí)，四旋翼飛行器便會(huì)離開(kāi)地面做垂直上升動(dòng)作；反之，同時(shí)減少四個(gè)電機(jī)的輸出功率，當(dāng)總升力不足以克服飛行器總重力時(shí)，四旋翼飛行器便會(huì)做垂直下降動(dòng)作；當(dāng)外界擾動(dòng)量[17]為零，且旋翼所產(chǎn)生升力等于飛行器總重力時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

應(yīng)當(dāng)注意此為理想情況，實(shí)際上由于飛行器處于一個(gè)未知的開(kāi)放環(huán)境當(dāng)中，往往會(huì)存在某方向的自然風(fēng)，在這個(gè)自然風(fēng)的影響下，飛行器會(huì)處于一個(gè)不平衡狀態(tài)，可能會(huì)引起定向漂移或者失控，因此需要通過(guò)改變相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)引入一個(gè)反向分量去平衡這個(gè)自然風(fēng)所引起的偏移量[18]。

2.2 俯仰運(yùn)動(dòng)

如圖2所示，四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)是通過(guò)增加電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)2的電機(jī)4的轉(zhuǎn)速不變來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)2、電機(jī)4所受空氣反作用力不變，電機(jī)1所受空氣反作用力增加，電機(jī)3所受空氣反作用力減少而產(chǎn)生的不平衡力矩會(huì)使機(jī)身繞Y軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)一定角度飛行，同理，當(dāng)電機(jī)1轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3轉(zhuǎn)速上升時(shí)機(jī)身便會(huì)繞Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度飛行，如圖3所示為其飛行受力圖。

由受力分析可知，只要有傾角產(chǎn)生，便會(huì)有水平方向的水平分力，也會(huì)由此產(chǎn)生一個(gè)加速度，也就是說(shuō)無(wú)人機(jī)俯仰的速度會(huì)越來(lái)越大，如果向下速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法及時(shí)拉升從而墜落損壞，因此俯仰運(yùn)動(dòng)一般不能產(chǎn)生較大傾角[19]。

2.3 偏航運(yùn)動(dòng)

如圖4所示，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于存在空氣阻力，因此會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，因此減小電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速即會(huì)減小逆時(shí)針?lè)较虻目諝夥磁ぞ亓Γ龃箅姍C(jī)1與電機(jī)3的轉(zhuǎn)速則會(huì)增大順時(shí)針?lè)较虻目諝夥磁ぞ亓?，綜合而言，四旋翼飛行器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)富余的扭矩力使飛行器沿Z軸旋轉(zhuǎn)，具體受力如圖5所示。當(dāng)富余扭矩力為順時(shí)針?lè)较驎r(shí)，飛行器便會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)富余扭矩力為逆時(shí)針?lè)较驎r(shí)，飛行器便會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.4 其他運(yùn)動(dòng)

四旋翼飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)原理相似，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，增大電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，便會(huì)產(chǎn)生不平衡力矩，使機(jī)身繞X軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；同理，減小電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，增大電機(jī)2的轉(zhuǎn)速則會(huì)使四旋翼飛行器繞X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)原理也相似，可以看成是俯仰運(yùn)動(dòng)的一種特殊情況，即Z軸方向升力之和始終等于飛行器的重力，為保持Z軸方向升力之和不變，每個(gè)傾角都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，要想達(dá)到固定傾角，則需要調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速使它達(dá)到傾角所對(duì)應(yīng)的值，而俯仰運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速可以變化。

3 四旋翼飛行器系統(tǒng)構(gòu)架

圖6所示為X形四旋翼飛行器，它的飛行系統(tǒng)由通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，動(dòng)力模塊所組成。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由加速度計(jì)、陀螺儀、GPS定位芯片組成，可以提供位置、加速度大小與方向、9軸傾斜角度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以幫助數(shù)據(jù)處理模塊更好的控制動(dòng)力模塊，從而更為精準(zhǔn)的做出上文所描述的飛行動(dòng)作。

動(dòng)力模塊主要由電源、電調(diào)、電機(jī)組成，是四旋翼飛行器升力提供源，通過(guò)接收信息處理模塊發(fā)出的PWM信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而直接控制飛行器飛行動(dòng)作與速度。

信息處理模塊主要包含控制芯片與飛控程序，民用飛行器一般會(huì)采用已經(jīng)商業(yè)化的飛控芯片作為信息處理模塊。信息處理模塊作為四旋翼飛行器的核心部件，是四旋翼飛行器的指揮中心，起到控制信息采集模塊、動(dòng)力模塊、通信模塊協(xié)同工作不沖突的作用。從信號(hào)控制角度來(lái)看，信息處理模塊是遙控?cái)?shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，起到解析控制需求并轉(zhuǎn)發(fā)給動(dòng)力模塊的作用；從飛行系統(tǒng)角度來(lái)看，信息處理模塊是穩(wěn)定飛行的核心控制器，是集信息接收、處理、發(fā)送于一體的集成器件，是穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)。

4 基于arduino芯片擴(kuò)展的四旋翼飛行器

簡(jiǎn)單四旋翼飛行器只需要電源、通信模塊、飛控芯片、動(dòng)力模塊組成，通過(guò)遙控器把需要實(shí)現(xiàn)的飛行姿態(tài)通過(guò)電信號(hào)發(fā)送給飛控芯片，飛控芯片再把飛行姿態(tài)解析為四個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，再通過(guò)電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的控制。

要想在簡(jiǎn)單四旋翼飛行器中融入Arduino芯片，需要讓Arduino芯片作為控制信號(hào)必須經(jīng)過(guò)的一個(gè)場(chǎng)所，論文選擇在控制信號(hào)被接收機(jī)接受后先傳送給Arduino芯片，再通過(guò)Arduino芯片將控制信號(hào)傳送給飛控芯片解析成電流大小。要想躲避障礙物首先得知道哪兒有障礙物，可通過(guò)增加測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物方位、距離等信息的采集，并通過(guò)Arduino芯片來(lái)做數(shù)據(jù)分析與處理從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

5 結(jié)論

論文擴(kuò)展的四旋翼飛行器避障功能可以實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中躲避空中的樹(shù)枝等有空隙的障礙物，但由于設(shè)計(jì)的避障程序并沒(méi)有考慮遇到?jīng)]有空隙的障礙物的情況，因此如果遇到墻壁等沒(méi)有空隙的障礙物時(shí)只能靠操作者自主躲避，曾想模仿二維走迷宮的算法使用堆棧存儲(chǔ)路徑做到自主尋路，但是由于空中環(huán)境的復(fù)雜性與四旋翼飛行器自身的限制，暫未發(fā)現(xiàn)高效算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性以及正反槳的應(yīng)用使其對(duì)比其他飛行器具有相對(duì)優(yōu)秀的平衡能力與較為簡(jiǎn)單的操作方法，可以預(yù)見(jiàn)隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展，在未來(lái)生活中它將會(huì)越來(lái)越大眾化，為人類(lèi)帶來(lái)越來(lái)越多的便利，因此對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)、原理以及飛行動(dòng)作進(jìn)行探討具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高偉霞，韓新風(fēng)，張永峰.在線(xiàn)簽名認(rèn)證的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（04）：91-94.

[2]譚周文，成運(yùn)，馬子驥.公交車(chē)安防數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（04）：33-36.

[3]楊永東，曾慶立.基于FPGA+DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，30（04）：65-68.

[4]莫禮平，樊曉平.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)挖掘分類(lèi)中的應(yīng)用[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（01）：59-62.

[5]李春來(lái)，羅曉曙.AQM中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的PID控制器[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（03）：88-90+108.

[6]黎洪生，文浩.基于ARM的無(wú)功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（05）：63-65.

[7]徐清柳，王勇軍.四旋翼飛行器的工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，20（03）：308-311.

[8]余世干，劉輝，趙坤.基于單片機(jī)的智能車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（05）：62-65.

[9]張超，彭金璋，劉純鴿，何宇樺.智能車(chē)跑道圖像的大津閾值分割算法[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（04）：27-30.

[10]王麒添.無(wú)人機(jī)航拍圖像三維重建技術(shù)應(yīng)用思考與研究[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（12）：154.

[11]宋洪達(dá)，郝桂麗.四旋翼飛行器的發(fā)展與應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2018（01）：134.

[12]劉志軍，呂強(qiáng)，王東來(lái).小型四旋翼直升機(jī)的建模與仿真控制[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（07）：18-20+69.

[13]黃城.淺談單片機(jī)應(yīng)用理念的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2018（Z1）：29-30.

[14]李中好.雙橫臂獨(dú)立懸架前輪擺振與陀螺效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究[J].汽車(chē)工程，2017，39（06）：698-701.

[15]宋日曉，王澤峰.直升機(jī)尾槳?dú)鈩?dòng)分析與試飛驗(yàn)證[J].航空科學(xué)技術(shù)，2017，28（05）：33-36.

[16]歷小偉.四旋翼飛行器飛行控制與實(shí)現(xiàn)[D].西南科技大學(xué)，2017.5-108

[17]方星.非匹配擾動(dòng)下小型無(wú)人直升機(jī)魯棒飛行控制算法研究[D].天津大學(xué)，2016.5-120

[18]周華，楊帆，吳耀宇.無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)角偏移優(yōu)化測(cè)量方法研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（04）：140-143+188.

[19]王一，胡莘，趙瑩芝.全局一致性?xún)?yōu)化的無(wú)人機(jī)大傾角影像相對(duì)定向[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，34（04）：382-386.