鮑佳松

摘要：四旋翼無人機已經(jīng)進入了眾多的應(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姿態(tài)及機身設(shè)計的文章較多，但是很少有帶機械手臂的無人機。因此，本文采用了以往常見的無人機模型，設(shè)計出機械手臂，既能保證無人機飛行過程的平穩(wěn)性，而且保證抓取東西的快速、準確性。本文不僅設(shè)計了無人機的整體形態(tài)，而且選擇了適合無人機飛行的硬件設(shè)施，為工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵字：四旋翼飛行器;機械手臂;抓取;硬件設(shè)施

一、前言

目前，國內(nèi)外研究無人機的人員越來越多，先進的無人機也層出不窮。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，而帶有機械手的無人機則研究較少。在近年來，無人機不管是在飛行姿態(tài)、操縱系統(tǒng)、穩(wěn)定性設(shè)計等都有長足發(fā)展，但是帶有機械手的無人機動態(tài)操作等問題還比較突出。

在設(shè)計研究當中，無人機加上先進的操縱手臂之后，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。在無人機飛行過程中，抓取動作的準確性、穩(wěn)定性是考慮的重要問題。比如說，無人機在告訴的飛行中，對于其飛行速度與飛行的時間要求比較高，這就要要求無人機能夠快速、及時地抓住物體，而且有時還需要對目標進行監(jiān)視，這樣就會避免因為噪音而引起的注意。除此之外，無人機動態(tài)抓握功能可以擴展到實時棲息，這可以用來快速地躲避大風(fēng)、通過減少懸停時間來提高續(xù)航時間。

華北電力大學(xué)張虎[1]等在眾多無人機研究的基礎(chǔ)上，利用四旋翼飛行器作為基本結(jié)構(gòu)，進行改進與創(chuàng)新，研究了一種飛滑式輸電線巡檢機器人，這種無人機結(jié)合了現(xiàn)有的四旋翼飛行器與巡線機器人優(yōu)點的具有飛行與線上滑行巡檢功能的機器人。Justin Thomas團隊[2]在多年觀察仿生機械的基礎(chǔ)上設(shè)計研究了一種采用被動機制的機械手爪，這種手爪在抓取中能夠不受外界環(huán)境的干擾，同時在垂直起飛和著陸系統(tǒng)中啟用被動棲息的設(shè)計上采用了優(yōu)化分析;Courtney E. Doyle團隊[3]在多年針對放生機械研究的基礎(chǔ)上，在無人機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行抓取。

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

二、無人機總體設(shè)計

1.無人機控制系統(tǒng)組成

在整個的無人機系統(tǒng)當中，系統(tǒng)通過無線電與地面實現(xiàn)通信。在四旋翼無人機下方設(shè)置機械手，通過舵機控制其運動[4-6]。操作人員可以在地面輸入指令，進而控制飛行器的飛行狀態(tài)。同時，控制器還可以控制機械手的動作，實現(xiàn)抓舉、松開等動作

2.無人機飛行器工作原理

四旋翼飛行器由四個螺旋槳驅(qū)動，螺旋槳分別有獨立電機帶動。在控制系統(tǒng)當中，旋轉(zhuǎn)的力矩與平移動作實現(xiàn)了耦合。如果排除外界擾動，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]。同時另外一組螺旋槳一個速度增大，一個速度減小就會產(chǎn)生俯仰和滾動的姿態(tài);兩組螺旋槳阻力矩的差異產(chǎn)生偏航姿態(tài)。

3.機械手控制

機械手的控制是此次設(shè)計的關(guān)鍵。手爪的設(shè)計要顧及到飛行器的相對移動速度，這樣就能夠獲得相應(yīng)的載荷;同時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，因此選擇無刷電機來與之匹配。。

2.電池的選擇

旋翼無人機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)航時間長，這樣就能更加好地實現(xiàn)應(yīng)用。

3.遙控器選擇

無人機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，遙控器可以控制多個目標，如果接收機損害之后也能采用其他的遙控器所取代，不用再換遙控器，只需要進行簡單的對碼設(shè)置即可[8]。即遙控器發(fā)射的信號接收機能收到并進行解碼，并非任何遙控器都可以對上任意的接收機，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系列對碼有相應(yīng)的要求。

四、結(jié)論

此次的設(shè)計主要是對無人機整體、手臂的設(shè)計等進行研究，設(shè)計還是在理論基礎(chǔ)上進行設(shè)計，并沒有進行較多的驗證，因此沒有實物參數(shù)進行支撐，因此，它在實際環(huán)境中的穩(wěn)定性和抗干擾能力還有待進一步的研究。同時，文章中選取了電調(diào)、電機及遙控器的選擇，針對無人機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：

[1]張虎.飛滑式輸電線路巡線機器人控制系統(tǒng)研究與實現(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)計與實現(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裝置設(shè)計[J].電子制作，2014，（08）：17-18.

[5]張家琪.四旋翼直升機姿態(tài)運動控制研究[D ].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[6]程雪工 . 六旋翼無人飛行器設(shè)計[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）