具有柔性抓手的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機(jī)械與精密儀器系,安徽 合肥 230026)

0 引言

通過在四旋翼飛行器上搭載機(jī)械手，使飛行器能夠?qū)Νh(huán)境物體進(jìn)行操作，將四旋翼飛行器的應(yīng)用范圍大大增加[1-2]。

將柔性抓手搭載在四旋翼飛行器上，使其與外界物體進(jìn)行主動(dòng)的交互。柔性抓手相比于傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手具有更高的柔順性，自適應(yīng)能力更強(qiáng)，控制更加簡單，而且不容易對物體造成損壞；其次，柔性抓手相比于氣動(dòng)柔性機(jī)械手，結(jié)構(gòu)簡單，沒有氣泵等配件，因此減輕飛行器的負(fù)重，提高飛行器自身續(xù)航時(shí)間；除此之外，柔性抓手與飛行器的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了空中的操作，從而使幫助人們撿取危險(xiǎn)區(qū)域的垃圾以及采摘地里的草莓成為可能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括兩部分 ：一部分是四旋翼飛行器；另一部分是柔性抓手，如圖1所示。飛行器主控制器為STM32,通過IIC總線采集姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行姿態(tài)解算，通過串級PID控制PWM輸出來控制電機(jī)，以達(dá)到改變飛行器自身姿態(tài)的目的。柔性抓手部分是通過柔性驅(qū)動(dòng)器通電加熱變形，斷電冷卻恢復(fù)原狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)抓取和釋放的效果，它主要由SMA絲、硅膠、基座和彈簧鋼薄片組成。遙控器發(fā)出抓取和釋放的指令，微控制器接收到后將通過柔性抓手驅(qū)動(dòng)模塊控制柔性抓手。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

2.1 四旋翼飛行器原理

四旋翼飛行器是通過調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變旋翼的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。如圖2所示，電動(dòng)機(jī)1和電動(dòng)機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)2和電動(dòng)機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，飛行器飛行平衡時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。

圖2 飛行原理

四軸飛行器控制原理如表1所示，通過控制4個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變4個(gè)升力，從而實(shí)現(xiàn)懸停、偏航(左旋/右旋)、橫滾(向左/向右)、俯仰(向前/向后)等狀態(tài)。

表1 飛行原理分析表

2.2 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)建模

選擇北-西-天的導(dǎo)航坐標(biāo)系和前-左-上的機(jī)體坐標(biāo)系來對四旋翼飛行器進(jìn)行分析[3-5]，如圖3所示。在空間內(nèi)僅定義兩個(gè)不同的三維坐標(biāo)系，分別為參考坐標(biāo)系On、機(jī)體坐標(biāo)系Ob。然后對四旋翼飛行器進(jìn)行建模。對于“X”模式的四旋翼飛行器，有如下等式：

(1)

(2)

Ti，Di分別是螺旋槳升力和螺旋槳阻力矩；kl，kdrag分別為四旋翼的升力系數(shù)和阻力系數(shù)；ωi為第i個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對四旋翼飛行器進(jìn)行受力分析可得:

(3)

Ix，Iy，Iz為機(jī)體坐標(biāo)系下3個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mx，My，Mz為機(jī)體坐標(biāo)系下3個(gè)軸的轉(zhuǎn)矩；Ω為四旋翼飛行器相對于機(jī)體坐標(biāo)系的角速度；J為螺旋槳關(guān)于機(jī)體坐標(biāo)系z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；p，q，r是角速度在機(jī)體坐標(biāo)系三軸上的分量。

在導(dǎo)航坐標(biāo)系下對飛行器進(jìn)行受力分析，忽略空氣阻力，可得：

(4)

x，y，z是在導(dǎo)航坐標(biāo)系下飛行器的三軸位移,Φ，θ，Ψ為橫滾角、俯仰角、航向角，k是飛行器的摩擦系數(shù)，m為四旋翼飛行器的質(zhì)量。所以四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型為：

(5)

U1是油門控制量；U2是橫滾角控制量；U3是俯仰角控制量；U4是偏航角控制量。

圖3 機(jī)體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系

2.3 四旋翼飛行器硬件設(shè)計(jì)

在四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)中，STM32作為主控制器，三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸電子羅盤構(gòu)成姿態(tài)測量模塊，該模塊采用的是MPU9150。氣壓計(jì)和超聲波傳感器作為高度測量模塊。主控制器將姿態(tài)測量模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，通過高度測量模塊得到當(dāng)前的高度，其中氣壓計(jì)芯片為MS5611，超聲波傳感器為US-100。圖像傳輸模塊作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行視頻回傳供參考控制飛行。

2.4 四旋翼飛行器軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 四旋翼飛行器姿態(tài)解算

姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)在進(jìn)行姿態(tài)解算前，需要進(jìn)行濾波處理，這里對三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸電子羅盤分別采用滑窗濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再進(jìn)行姿態(tài)解算[6]。

MEMS 陀螺儀隨著時(shí)間的增加積分漂移和溫度漂移帶來的誤差比較大，加速度傳感器會受到機(jī)體振動(dòng)的影響，電子羅盤容易受到外部磁場的干擾。因此，需要采用互補(bǔ)濾波進(jìn)行姿態(tài)解算，得到理想的姿態(tài)角。姿態(tài)傳感器與四旋翼飛行器機(jī)體固連，姿態(tài)傳感器測得數(shù)據(jù)都在機(jī)體坐標(biāo)系中，在進(jìn)行姿態(tài)解算時(shí)，首先需要將機(jī)體坐標(biāo)系中測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，然后再進(jìn)行姿態(tài)解算。該過程要用到機(jī)體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，采用方向余弦矩陣[7-8]，如式(6)。

根據(jù)四元數(shù)乘法得到四元數(shù)向量與姿態(tài)矩陣的關(guān)系如式(7)。

根據(jù)以上2個(gè)矩陣，利用互補(bǔ)濾波更新四元數(shù)便可得到歐拉角[9-10]。流程圖如圖4所示。

圖4 姿態(tài)解算流程

2.4.2 四旋翼飛行器PID控制

姿態(tài)控制流程如圖5所示。四旋翼飛行器姿態(tài)解算得到姿態(tài)角后，便通過控制姿態(tài)角實(shí)現(xiàn)對飛行器的姿態(tài)進(jìn)行控制，使飛行器處于飛行平穩(wěn)狀態(tài)。所以對飛行器姿態(tài)的控制其實(shí)就就是對其3個(gè)姿態(tài)角的控制。這里采用串級PID[11-12]對3個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行控制，其中外環(huán)為角度環(huán)，內(nèi)環(huán)為角速度環(huán)。每個(gè)姿態(tài)角的外環(huán)PID的輸入為經(jīng)過四元數(shù)姿態(tài)解算得到的姿態(tài)角與期望的姿態(tài)角的差值。角度環(huán)的PID輸出作為角速度環(huán)的輸入。每個(gè)姿態(tài)角角速度內(nèi)環(huán)PID的輸出是串級PID最終的輸出。對四旋翼飛行器有4個(gè)控制量，即油門、偏航角、俯仰角和橫滾角。油門量來控制四旋翼飛行器的上升與降落。將串級PID控制器的最終輸出值賦值給STM32的寄存器來控制PWM不同占空比的輸出，實(shí)現(xiàn)對4個(gè)電動(dòng)機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對飛行器姿態(tài)的控制。同理，本系統(tǒng)對于飛行器的高度控制同樣采用了PID算法。

圖5 姿態(tài)控制流程

(6)

(7)

3 柔性抓手設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

本文的柔性抓手為五抓柔性抓手，如圖6所示，由柔性驅(qū)動(dòng)器和基座兩部分組成。其中柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)物體的抓取。基座由3D打印而成，用于夾持驅(qū)動(dòng)器以及提供該抓手與飛行器連接法蘭等作用。

圖6 抓手整體結(jié)構(gòu)

3.1 柔性驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與制作

該柔性驅(qū)動(dòng)器由3個(gè)功能層組成，如圖7所示，驅(qū)動(dòng)層是由SMA絲組成；恢復(fù)層是彈簧鋼薄片，能夠在冷卻過程中恢復(fù)初始位置；柔性包裹層是一種硅膠，用于包裹驅(qū)動(dòng)層和恢復(fù)層。

圖7 柔性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖8所示為柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與工藝示意圖，①將若干根SMA絲固定在PCB板上，構(gòu)成柔性驅(qū)動(dòng)器骨架，PCB板上有定位SMA絲的定位孔，以及用于模塊銜接或固定的固定孔，通過布置PCB板上定位孔之間的電路，可以實(shí)現(xiàn)SMA絲的串并聯(lián)連接；②將柔性驅(qū)動(dòng)器的骨架放入由3D打印的模具中，然后將硅膠注入模具中，經(jīng)恒溫箱加熱得到除彈簧鋼以外的柔性驅(qū)動(dòng)器；③用粘合劑將彈簧鋼薄片粘在由②得到的結(jié)構(gòu)的一側(cè)，得到最終的柔性驅(qū)動(dòng)器；④將柔性驅(qū)動(dòng)器與基座進(jìn)行裝配，便得到了柔性抓手[13-14]。

柔性驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)平面彎曲變形，通過加熱SMA絲，從而使得SMA絲產(chǎn)生相變收縮，由于彈簧鋼的作用，驅(qū)動(dòng)層和恢復(fù)層的剛度不同，使得柔性驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生彎曲變形[15]，在SMA絲冷卻后依靠彎曲的彈簧鋼中的彈性能量使得柔性驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖8 柔性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與工藝

3.2 柔性抓手抓取實(shí)驗(yàn)

將柔性抓手通過基座上的法蘭連接到飛行器上，然后測試柔性抓手對不同形狀物體的自適應(yīng)抓取能力。抓取的目標(biāo)物體有：大包裝盒、透明膠帶、3D打印件、奶茶杯子等形狀大小各異的物品。通電加熱時(shí)抓取，斷電時(shí)釋放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該柔性抓手可以抓起一些生活中常見的小質(zhì)量物品，如圖9所示。

圖9 柔性抓手對日常生活中物品的抓取試驗(yàn)

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對具有柔性抓手的四旋翼飛行器系統(tǒng)進(jìn)行了室外的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)效果如圖10所示，其中圖10a為該系統(tǒng)抓取物體的狀態(tài)；圖10b為該系統(tǒng)攜帶物體飛行狀態(tài)；圖10c為該系統(tǒng)釋放物體狀態(tài)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，具有柔性抓手的四旋翼飛行器很好的實(shí)現(xiàn)了對物體的抓取和釋放。

圖10 室外實(shí)驗(yàn)圖

5 結(jié)束語

提出了一種具有柔性抓手的四旋翼飛行器系統(tǒng)。對四旋翼飛行器進(jìn)行了研究，建立了四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，完成了四旋翼飛行器的軟件和硬件設(shè)計(jì)。對柔性抓手進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。并創(chuàng)新型地將柔性抓手搭載在四旋翼飛行器上，進(jìn)行了具有柔性抓手的四旋翼飛行器系統(tǒng)抓取實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了飛行器空中的抓取和釋放，既將四旋翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)出來，同時(shí)也體現(xiàn)了柔性抓手的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使四旋翼飛行器在一些特殊的領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能。除此之外，該系統(tǒng)成本低，應(yīng)用性強(qiáng)，有很好的應(yīng)用前景和競爭能力。