多功能無人機的開發設計

楊思力　陳閔葉　項陽　侯添元

摘要：多旋翼無人飛行器是一種多用途，可靠性好的飛行器，它可根據不同目的搭載相應模塊的負載完成相應的任務。它的飛行姿態穩定，對環境要求較低，配合機載導航，定位設備，可實現無人控制飛行。

本文以小型民用無人飛行器為研究對象，主要側重于多用途路況探測與救援無人機的開發設計，首先介紹了多旋翼無人機的概念和飛行原理，并且從外形、總體布局、動力裝置和控制理論對其進行分析。本文結合了現有的理論成果，針對實際問題，設計了一款可更換模塊的小型無人機。

關鍵詞： 多用途; 多旋翼無人飛行器; 路況探測

中圖分類號：TP391 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0262-04

Abstract：Multi-rotor UAV is a kind of multi-purpose， reliable aircraft， which can carry the corresponding module load to complete the corresponding tasks according to different purposes. It has stable flight attitude and low environmental requirements. It can realize unmanned flight with airborne navigation and positioning equipment. This paper focuses on the development and design of a small civil unmanned aerial vehicle （UAV）. Firstly， the concept and flight principle of a multi-rotor UAV are introduced， and its configuration， overall layout， power plant and control theory are analyzed. In this paper， a small UAV with replaceable modules is designed， which combines the existing theoretical results and aims at practical problems.

Key words：multi-purpose; ?Multi-rotor UAV; ?terrain detection

引多旋翼無人飛行器是一種可以垂直起飛、降落，對起降環境和地形要求較低，以多個旋翼提供升力的飛行器。其優點包括結構簡單可靠，外形尺寸可根據實際需求進行設計變化，組裝簡單，中低空飛行性能和穩定性機動性較好，維護簡便成本低等等。多旋翼飛行器在各個行業的應用場景中都可起到關鍵作用并代替有人機械完成一些危險性較大的工作并降低成本。例如，使用無人機搭載攝像機航拍代替直升機航拍，在突發災害時利用無人機搶先到達災區并勘察地形和被困人員位置為營救爭取時間。無人機的利用隨著科技的發展正在被普及，我們小組著眼于多功能無人機的開發設計，主要著重于研究野外路況的探測和救援?，F代都市的駕駛者開始喜歡駕駛著愛車去野外感受大自然的風光，然而野外的路況并不如城市那般平整，相反很多情況下路況都極其復雜，駕駛者一旦判斷失誤就會傷及愛車，甚者損壞車輛底盤困于野外。而此款無人機可解決此類問題，其可裝配于越野車車頂，由車內的電瓶直接進行充電，由于現在越來越多的車輛都裝配了中央顯示屏幕，所以此款無人機的操作模塊可集成于車輛的人機交互系統，對于駕駛者的使用極其方便。

1 設計說明

1.1設計流程

1.2 外形設計?

由此款地形偵測無人機外觀與普通無人飛行器相似，為四旋翼無人機。機身主要由聚合物材料制作。為了使此款無人機在野外適應于各種艱難環境，盡管其機身尺寸長為21cm，四個螺旋槳也均采用了碳纖維材質槳片，以此來確保無人機在惡劣環境下的穩定性及靈活性。無人機的四個機臂下方還配備了基礎的起落架，使得無人機能穩定降落于車頂上。無人機的四個無刷電機分別固定于機臂末端，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備。

1.3 總體布局

此款無人機的主要部件有升力旋翼，無刷電機，無刷電子調速器，飛行控制微計算機，接收機，發射機，鋰聚合物電池。

四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時有六個狀態輸出。 四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。

2）俯仰運動：電機 1的轉速上升，電機 3 的轉速下降（改變量大小應相等），電機 2、電機 4 的轉速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉，同理，當電機 1 的轉速下降，電機 3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

3）滾轉運動：改變電機 2和電機 4的轉速，保持電機1和電機 3的轉速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

4）偏航運動：旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動;當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖二中，當電機 1和電機 3 的轉速上升，電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機 1、電機3的轉向相反。

5）前后運動：要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機 3轉速，使拉力增大，相應減小電機 1轉速，使拉力減小，同時保持其他兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y軸的水平運動。

6）傾向運動：由于結構對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

1.4 起降方式

四旋翼飛行器通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態輸出，所以它又是一種欠驅動系統。 四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態。

2）俯仰運動：在圖2中，電機 1的轉速上升，電機 3 的轉速下降（改變量大小應相等），電機 2、電機 4 的轉速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉，同理，當電機 1 的轉速下降，電機 3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現飛行器的俯仰運動。

3）滾轉運動：在圖2中，改變電機 2和電機 4的轉速，保持電機1和電機 3的轉速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

4）偏航運動：旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發生轉動;當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖2中，當電機 1和電機 3 的轉速上升，電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機 1、電機3的轉向相反。

5）前后運動：要想實現飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平面內對飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機 3轉速，使拉力增大，相應減小電機 1轉速，使拉力減小，同時保持其他兩個電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，因此可以實現飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖2中，飛行器在產生俯仰、翻滾運動的同時也會產生沿 x、y軸的水平運動。）

6）傾向運動：在圖二中，由于結構對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

1.5 操縱系統

1.5.1飛行控制微計算機

飛行控制微計算機是旋翼機的核心設備，是無人機最核心的技術之一，其性能從本質上決定了無人飛行器的飛行性能。其完成的主要功能有：

·處理來自遙控器或自動控制的信號，這時飛控需要識別遙控器或自動控制的信號，完成要求的飛行姿態或其他指令。

·控制電調，此時飛控為電調發送信息，調節馬達轉速，用以控制旋翼機改變飛行狀態。

除了以上的主要功能，飛控板還可以通過一些板載的測量元件，在沒有任何控制的情況下，通過控制電調的輸出信號保持旋翼機的穩定飛行。一些成品飛控板還有其他的功能，通過飛控板提供額外的接口，在固件程序中有相應的處理程序，來實現如固件燒寫和云臺搭載。

1.6 動力裝置參數

1.6.1總體參數

最大拉力：1.32 千克/ 軸（16.8 V，海平面）;使用環境溫度：-10 至50 ℃。

1.6.2電機

定子尺寸：23×5 mm;KV值：2400 rpm/V;重量：27.8 g。

1.6.3 電調

最大允許電壓：17.4 V;最大允許電流（持續）：30 A;最大允許峰值電流（3 秒）：45 A;支持輸入油門信號模式：普通信號及OneShot125信號;最大兼容OneShot125信號頻率：1 kHz;最大兼容普通信號頻率：500 Hz;默認輸出PWM頻率：16 kHz;重量：2.8 g;支持電池：3S - 4S LiPo。

1.7 性能數據

最大上升速度：5m/s;最大下降速度：3m/s;最大水平飛行速度：65km/s（海平面附近無風環境）;最大飛行海拔高度：5000m;最大飛行時間：27分鐘（無風環境25km/s勻速飛行）;最長懸停時間：24分鐘（無風環境）;衛星定位模塊：GPS;懸停精度：垂直+/-0.1m 水平+/-0.3m。

1.7.1 遙控器和接收機

采用2.4Ghz頻率的六通道發射機與接收機組合，接收機安裝在機身上，發射機則由地面操作者控制，接收機將接收的無線電信號通過電信號傳給飛行控制計算機，進而驅動電子調速器改變電機轉速，控制飛行器以穩定或改變飛行器的運動狀態。

1.7.2 電池

電池主要以鋰聚合物電池為主，采用疊片軟包裝，其可以任意面積化和任意形狀化，該電池是采用滲透性較強的復合材料薄膜隔離正負極板正極采用鈷酸鋰、錳酸鋰等物質作為收集極，負極選擇石墨材料，并選擇有機溶劑作為電解質，相比鋰離子電池，鋰聚合物電池電解液為膠狀物。鋰電池的容量表示方法一般有ZmAH和ZWH兩種，前者表示以ZmA持續放電，能夠維持1h;后者表示以ZW放電，能夠連續放電1h。此外，其內部有電池安全閥、PTC等組成，以防止其在輸出異常的，短路的情況下保護電池，免受損害。

標準的鋰聚合物電池電壓是3.7V，充電后滿電壓可達4.2V。鋰聚合物電池的S數代表鋰電池的節數，一節鋰電池表示為1S，標準電壓值為3.7V，以5000mah電池為例，單節1s電池重量在125g～132g之間，同理，6S電池則為22.8V標準電壓，750g～792g之間。電池放電C數表示電池的放電能力，如6000mah的電池，標準為0.5C，則放電電流為0.5x6000=3000mA，需要特別注意的是不能以大于鋰電池C數倍放電，否則會快速損壞電池甚至自燃。

2 通用接口平臺部分設計及分析

2.1 該通用接口平臺的設計理念

（1）平臺提供一定的互換性，盡可能多的兼容其他組件以實現更多的功能;

（2）具有便攜性，具有快速拆卸和安裝的功能，盡量減少或不使用其他的工具來完成設備的更換;

（3）通用平臺接口具有傳輸電能和數據的能力，可與接收機和飛控配合，驅動不同的組件。

因此平臺最終采用上下兩部分設計，上部分與減震臺，下底座連接，下部分與功能組件相連。通用接口采用USB3.0技術。

如圖，這是USB3.0 Micro B接口，針腳1是供電（VBUS），針腳2是USB2.0的數據-，針腳3是USB2.0的數據+，針腳4是USB的ID線，針腳5是地線（GND），針腳6是USB3.0的發送數據線-，針腳7是USB3.0發送數據線+，針腳8是地線（GND），針腳9是USB3.0的接收數據線-，針腳10是USB3.0接受數據線+。

通用平臺底座下方配有兩對USB3.0接口，一方面可作為其他組件能源的供給來源（標準輸出5V 1A），為通用下平臺未能懸掛的部分提供兼容的可能。另一方面可以作為信息接入的入口，為今后集成飛控，開源飛控，單片機的接入預留空間。

3 結束語

本課題主要研究內容是基于多功能旋翼無人機的三維建模及多功能接口的理論研究。任務重點在于對旋翼機的結構和多功能接口簡要的分析，較為完整的設計出一部四旋翼飛行器及其多功能接口的示意圖，并在此基礎上根據現實問題自主開發設計一款通用多功能接口模型示意圖，最終完成主要模型示意圖，具體成果如下：

1）對旋翼機飛行結構和控制原理進行簡要的介紹，對動力部分進行簡要的理論分析;

2）基于SolidWorks對旋翼機整體進行實體建模，在3Dmax環境下設計裝配旋翼機多功能接口的三維虛擬模型;

3）基于3Dmax自主開發設計一款具有理論可行性的多功能接口，在此基礎上繪制多功能接口及相關組件的模型示意圖，進行簡單的功能性分析，并在3Dmax裝配環境下組合裝配。

4）將整體模型的示意圖運用到實際，為下一步開發實體模型機做準備。

參考文獻：

[1] 張曉林.無人駕駛直升機遙測遙控與電子系統設計[J].航空學報，2002（5）.

[2] 楊海軍，黃耀歡.化工污染氣體無人機遙感監測[J].地球信息科學學報，2015（10）.

[3] 劉慶元，郝立良，黃書捷，等.改進的UKF在GPS/INS組合導航中的應用[J].測繪科學技術學報，2014（5）. [4] 李國柱.基于PSO的測距模型參數估計三維定位算法[J].計算機測量與控制，2014（9）.

[5] 靳雷，劉洋，張碩，等.無人機遙感系統在某河流域環境監測項目中的應用[J].環境保護與循環經濟，2013（8）.

[6] 李俊，李運堂.四旋翼飛行器的動力學建模及PID控制[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2012（1）.

[7] 杜傳明.百度地圖API在小型地理信息系統中的應用[J].測繪與空間地理信息，2011（2）.

[8] 馮震，李懷兵，丑武勝.旋翼微小型無人機地面站系統的設計與實現[J].計算機工程，2010（23）.

[9] 張志明，馬睿，岳繼光，等.LabVIEW下多通道數據采集與處理實驗系統設計——基于“傳感器與檢測技術”課程實驗[J].工業和信息化教育，2015（10）.

[10] 李大偉，楊炯.開源飛控知多少[J].機器人產業，2015（3）.

[11] 蘇繼川，黃勇，李永紅，等.小展弦比飛翼亞、跨、超聲速支撐干擾研究[J].空氣動力學學報，2015（3）.

[12] 周進，張東升，梅雪松，李澤州.基于虛擬樣機技術傾轉四旋翼飛行器聯合仿真[J].計算機仿真，2015（1）.

[13] 關武.藍鯨旋翼機[J].老同志之友，2014（9）.

[14] 王裕夫，劉振國，陶國權.某高空螺旋槳氣動特性數值模擬與風洞試驗[J].北京航空航天大學學報，2013（8）.

[15] 沙虹偉，陳仁良.傾轉旋翼機飛行力學特性[J].航空動力學報，2012（4）.

[16] 李俊，李運堂.四旋翼飛行器的動力學建模及PID控制[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2012（1）.

[17] 王旭，黃萌，任智靜，等.前掠翼與平直翼布局氣動特性的比較分析[J].空軍工程大學學報：自然科學版，2011（4）.

[18] 李磊.無人機技術現狀與發展趨勢[J].硅谷，2011（1）.

【通聯編輯：唐一東】