四軸飛行救援系統(tǒng)

馬承剛

學(xué)校科技興趣小組成員在進行航模項目訓(xùn)練時，經(jīng)常會出現(xiàn)小飛機模型掉到屋頂或河水中的情況，為了回收這些飛機模型，同學(xué)們往往費盡周折，浪費了很多訓(xùn)練時間。筆者于是想到設(shè)計一種方便可靠的救援飛行器來解決這個難題。目前四軸飛行控制技術(shù)已比較成熟，各種飛行控制模塊已實現(xiàn)商品化，為這款飛行器的制作提供了方便。

1.飛行控制

四軸飛行器由四個旋翼提供升力，為了抵消螺旋槳造成的扭矩，使用了兩個正槳、兩個反槳。飛行控制器（飛控板）通過改變四個無刷電機的轉(zhuǎn)速使機體傾斜一定的角度，從而產(chǎn)生水平分力推動飛行器平移，傾斜的角度越大，飛行的速度也越快。為了不讓螺旋槳遮擋前進方向的攝像頭，本飛行器采用了X型的飛行模式（圖1）。

四軸飛行器的飛行系統(tǒng)與傳統(tǒng)航模遙控設(shè)備兼容。只需要4通道遙控器的接收機與飛控板相連便可控制四軸飛行器的飛行。若要實現(xiàn)更多功能，最多可接8通道的接收機（圖2）。

2.電子設(shè)備的選擇和搭配

目前四軸飛行器所使用的飛控板品牌很多。比較流行的四軸設(shè)備搭配是：四個好贏天行者20A電調(diào)、四個2212無刷電機、2200mAh鋰電池和8060正槳反槳各兩個。從理論上來說，高KV值和小槳更利于四軸的快速反應(yīng)。

3.四軸機架的制作

網(wǎng)上可以買到商品四軸機架，但全碳纖維的過于昂貴，全金屬的價格也很高且過于沉重，全木質(zhì)的又容易損壞，并且已有的設(shè)計都沒能對螺旋槳加以保護。所以筆者決定重新設(shè)計制作。設(shè)想是：成本要低；質(zhì)量要輕；螺旋槳在機架范圍內(nèi)，以免觸碰物體損壞；風阻要小；底部空間要大，有利于安放抓斗等模塊；有利于安裝無線圖像傳輸設(shè)備和攝像頭。

機架主梁使用6根長1米、直徑3毫米的實心碳纖維桿制作，用竹條將碳纖維桿中部按三角形方式撐起，在四周等距增加橫梁，再添加斜梁。所有桿與桿的接頭處都用線捆扎，要確保每根竹條都被捆扎數(shù)道，最后用502膠固定。以此類推向外延伸搭建（圖3）。

將四軸反放在平地上，轉(zhuǎn)動螺旋槳并測量槳尖的高度（圖4），調(diào)整四根竹條，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)面與地面平行，用502膠將電機座、竹條、碳纖維桿粘牢，并確保四個螺旋槳旋轉(zhuǎn)面在同一個平面上。

此機架尺寸雖大，但由于采用了輕質(zhì)碳纖維桿配合竹條搭建的穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，機架絲毫不會扭曲和變形。鏤空的機架降低了風對飛行的影響，質(zhì)量還比普通的商品塑料機架輕了幾十克，成本也不足50元。四個螺旋槳全部位于機架內(nèi)部，在狹窄區(qū)域飛行時不會因為觸碰到物體而損壞（圖5）。

4.抓斗的設(shè)計制作

筆者借鑒工業(yè)抓斗的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了一款抓斗和一款抓鉤，另外也可以吊掛磁鐵撿拾鐵質(zhì)物體。三維建模繪圖軟件使用的是Rhinoceros（犀牛），然后用激光雕刻機切割椴木層板制作了六爪抓斗，三爪抓鉤可用鋼絲焊接制作（圖6、圖7）。

圖8為繪制的抓斗圖紙。抓斗的動作控制通過標準舵機實現(xiàn)。可適當延長舵機搖臂，以適應(yīng)抓斗的動作過程。飛行時張開抓斗，利用無線遙控技術(shù)飛到目標物體上方（圖9），然后利用飛行器上的攝像頭進行定位，最后準確降落在目標物體上，撥動通道開關(guān)將抓斗收縮，抓起物體并飛回操作者身邊。

5.超聲波測距定高

為了避免飛行器在水面搜尋飛行時觸水失事，可采用超聲波測距模塊幫助四軸飛行器定高飛行。超聲波模塊的探測距離為2～450厘米，精度可達到0.3厘米 。

超聲波傳感器固定于機架下方，需要正對著地面（圖10）。飛行器懸停時，油門在某一位置不動，則自動轉(zhuǎn)為高度鎖定狀態(tài)；當油門搖桿移動時，則自動解除高度鎖定狀態(tài)。有了超聲波定高模塊，飛行器就可以大膽地懸停在水面上進行救援活動，而不必擔心誤操作導(dǎo)致的飛行器入水事故了。

6.無線視頻傳輸

采用性價比較高的700毫瓦、1.2吉赫信號的無線圖像傳輸設(shè)備（圖11），可避免干擾2.4吉赫的遙控器。視頻發(fā)射距離在開闊地可達700～1500米。視頻信號接收器接收到視頻信號后通過USB接口的視頻采集卡向電腦傳送視頻。

7.無線視頻傳輸系統(tǒng)的連接

空中部分：四軸飛行器采用X型飛行方式，在前進方向的兩個支架之間正好可以安放攝像頭，其視線范圍內(nèi)不會出現(xiàn)機架或螺旋槳的影像。與攝像頭對應(yīng)的另兩個支架間可安放視頻信號發(fā)射器。視頻拍攝與四軸飛行器共用動力電源（圖12）。

地面部分：通過視頻信號接收器接收到視頻信號，然后通過視頻采集卡的USB接口輸入到電腦中（圖13），這樣操作者就可以在地面觀察到飛行器視角的影像，為搜救、撿拾物品提供了參考，提高了準確性。

8.進一步完善的設(shè)想

下一步打算探索單片機遠程控制機械手精確抓取物體，并利用GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)超視距飛行和搜救功能，實現(xiàn)按預(yù)定航線搜索和完成任務(wù)自動返回的功能。此外，還將設(shè)法增加飛行器的續(xù)航時間以便搜尋更廣闊的空間。

9.應(yīng)用前景分析

本飛行器不光可以在日常航模活動中撿拾掉落在屋頂和水面的小飛機模型，也可以用在野生動物園猛獸區(qū)這樣的危險地帶，撿拾游客不小心掉落的物品。還可以運用在災(zāi)難救援方面，如利用它進入泥石流或塌方地段進行探測和搜救，到天坑或火山口進行取樣等。飛行器通過所攜帶的攝像頭將圖像資料無線傳輸給監(jiān)控室，給安全地帶的現(xiàn)場決策者提供幫助。