基于紅外傳感器的旋轉式無人機保護裝置

徐澤霖 鄭祥明 楊彬淇 楊超

摘? 要：旋翼安全是無人機飛行的關鍵問題，為防止旋翼槳葉傷人，本項目提出一種創新型的無人機旋翼保護裝置。該裝置采用了旋轉式保護框結構，配合紅外光學傳感器實時地對周圍環境進行偵測并在接觸到危險時發出信號，通過單片機即時地做出保護反應。實驗表明，裝置能夠全方位、全覆蓋、即時地對旋翼進行防護，并且起到十分顯著的保護效果且同時對無人機氣動性能影響較小。該無人機旋翼保護裝置同時還有結構和原理較為簡單、成本及重量較低等優點，為無人機旋翼保護的方案設計提供一定的指導依據。

關鍵詞：旋翼? 無人機? 保護? 轉子 紅外傳感器

中圖分類號：TM75? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0086-06

Abstract： Rotor safety is one of the key problems to drones. Our project proposes an innovative drones rotor protection device in order to prevent the rotor blade cuts. The device uses a frame structure working with IR optical sensor to constantly detect surrounding environment， and then sends a signal to trigger a single-chip microcomputer to make protective response immediately when contacts with danger. Experiments show that the device can protect the rotor in an all-round， full-coverage and real-time manner， and it has a very significant protection effect and has little influence on the aerodynamic performance of drone. At the same time， the rotor protection device has the advantages of simple structure and principle， low cost and weight， which provides some guidance for the design of rotor protection scheme.

Key Words： Rotor; Drone; Protection; Spinning; IR sensor

無人機飛行過程中，旋翼安全問題不可忽視。近年來，無人機用途越來越普及，而無人機的用戶比例中有相當一部分為兒童和青少年，他們對于使用無人機的潛在威脅缺乏應有的認知水平;不僅如此，越來越多的人在人群較為密集的地方使用無人機或者在低空近距離的范圍內放飛無人機。顯而易見，如今無人機旋翼對人們造成傷害的可能性正在逐步上升，且不容輕視。

無人機的旋翼槳葉的旋轉速度可超過1000r/min，如果人不小心伸出的手指接觸到高速旋轉中的旋翼，很容易嚴重割傷手指;此外由新聞報道可知，高速旋轉的無人機旋翼還可能造成割傷手臂、身體甚至一度發生過旋翼割傷造成永久性失明的惡性事件。

因此，為了預防和規避操作人員在使用無人機過程中可能遇到的危險，在不過多犧牲無人機本身的氣動性能前提下，設計并推廣一種新型的旋翼保護裝置來保證無人機飛行安全就格外重要。

1? 研究背景

目前，無人機旋翼保護裝置設計方面主要分為兩方面：其一是直接在旋翼周圍加裝固定式的保護罩，其二是在無人機中加裝感應裝置，在無人機旋翼或機體將碰撞障礙物時自動避讓，如圖1。

第一種保護方案屬于被動防護型，即采用屏障置于旋翼與外部物體之間，防止可能的接觸。現有的絕大多數旋翼保護裝置都采用了這種傳統的固定式保護罩，其雖然結構與材料都足夠堅固，防護性能較為可靠。但是其往往占用體積較大、重量較大且制作材料成本較高。為了保證無人機的氣動性能，這種保護罩必須留有足夠的間隙，這也使得這類剛性固定結構保護裝置無法做到完整的覆蓋的保護。現有的無人機保護架、保護圈、保護罩、保護籠等等或多或少地都存在以上的問題。

第二種保護方案屬于主動保護型，這種類型的保護裝置往往采用敏銳的傳感元件配合保護機制勘測周圍環境中可能的威脅并做出避障動作。一些產品采用了超聲波測距儀、紅外激光傳感器等。這種保護方案則需要高效的反應速度和感應效率來支撐，對設計的技術以及感應裝置精準程度要求較高，需要花費大量的設計與儀器購買成本。同時精密的傳感器重量不容忽視，其勘測范圍也很難做到全方位的覆蓋。

我們認為一個保護裝置要起到良好的保護效果必須關注并兼顧以下幾點：

（1）重量較低、體積占用較少且對氣動性能的影響較小。

（2）保護范圍盡可能地大，最好能全覆蓋整個旋翼。

（3）保護性能要足夠好，能明顯降低危險性。

（4）成本能夠在保證以上效果的情況下盡可能低廉。

（5）結構較為簡單，盡量少地對無人機飛動系統做修改。

2? 結構設計

我們的項目旨在兼顧兩個旋翼保護設計方面的優點，提出一種能夠極小程度影響旋翼氣動性能并能進行全面且有效保護的旋翼保護裝置，用以提升旋翼無人機的飛行安全性能并且同時盡量保持較高的氣動性能。

2.1 轉子結構

首先我們設計了一個比旋翼葉片稍大，能夠完整包裹旋翼兩側的外框，稱其為轉子，作為整個旋翼保護裝置的感應裝置。轉子通過物理結構連接在馬達上轉軸上，其能通過摩擦力隨著旋翼葉片一起旋轉。我們通過改變轉子與馬達連接部分的材料與調整轉子與馬達轉軸間的壓力，從而能夠控制轉子與馬達間的摩擦系數，調整兩者間摩擦力的大小。實驗用的旋翼轉速為1400r/min，我們制作出的轉子應用在轉軸上時實際轉速為200r/min，約為旋翼轉速的1/7。

轉子可以以一個較低的速度繞馬達轉軸旋轉，因其速度較慢且材料相比于旋翼葉片彈性更大且硬度較小，所以當其于人手或人體其他部分接觸時，不會對人造成傷害。

同時其保持一定速度，包裹住旋翼旋轉，全方位地覆蓋無人機旋翼，能夠保證人體在接觸到旋翼葉片前，先接觸到作為感應裝置和緩沖裝置的轉子。

2.2 感應信號系統

接著我們設計了感應信號系統。感應信號系統用于判斷轉子是否接觸到人體或者環境是否有危險，用以提供制動信號給制動系統。

我們設計了一個六葉底盤，其加裝在轉子結構底部，隨著轉子一起旋轉。我們在六葉底盤側面安裝了一個紅外傳感器，如圖2。六葉底盤的每一個葉片都具有光學反射的特性，當轉子與六葉底盤一同旋轉，六個葉片通過紅外傳感器傳感部分的頻率能夠被測出，從而我們可以得出轉子的轉速。只需判斷該轉速是否發生驟減或者降為0即可判斷轉子是否接觸到障礙物。

安裝并測量六葉底盤轉速的好處一是避免直接測量轉子，可以方便安裝使用傳感器測量;二是六葉底盤葉片通過傳感器感應部分的頻率是轉子的3倍，判斷其頻率變化的反應速度也相應地是原來的3倍，使得剎車裝置的啟動變得更加快速;三是可以僅在六葉底盤處使用光學反射性更好的材料，節約成本且感應準確率更高。

而紅外傳感器導出的信號我們后面可以通過單片機來處理，進而決定是否發送剎車信號給制動系統。

2.3 制動系統（剎車系統）

制動系統即能使得旋翼葉片快速失去轉動動能的結構，防止旋翼槳葉進一步割傷人體。

我們選擇采用電調制動的方法，因為使用電調制動不需要額外安裝零件，且制動效果極快。

制動系統的剎車信號由單片機根據紅外傳感器給出的頻率信號來決定是否發出。

旋翼在正常運行的時候，根據實驗數據，由傳感器測出的轉子的頻率和旋翼的轉速之間的關系如表1所示。

由此可知，旋翼在正常運行的時候，轉子的轉速會穩定在一個范圍內，單片機就是監測這個轉子的頻率，如果它穩定在這個范圍內，則旋翼正常運轉，如果轉子遇到障礙物，轉子的轉速會驟減為0（或者遠小于穩定頻率），則單片機會發出一個剎車信號給電調，進而實現剎車功能。

具體實現根據無刷電動機的控制原理可知，遙控器給電調各種速度變化信號，電調將其轉變為方波信號，如圖3所示。

該信號的周期是20ms，方波寬度為1ms到2ms連續變化，方波寬度越寬，旋翼轉速越快，其中1ms代表速度為0，即為剎車信號，因此單片機輸出的剎車信號就是輸出這個寬度為1ms的方波信號，結果如表2。

一旦電調接收到剎車信號就會通過短路無刷直流電機的輸入部分來使得電機旋轉產生的電流反向，如圖4從而使得電機轉子也反向旋轉，進而達到快速制動的效果。

3? 裝置應用優勢及創新點

（1）全方位旋轉式、全覆蓋無死角、即時地對旋翼進行防護。

旋翼從任何方向接觸到都是危險的，不僅僅是從上方。無人機飛行固有的三維特性意味著接觸危險可能來自于任何方向，因此系統應該提供全方位的保護，而不是僅防護邊緣，或者上下方。

我們設計了一個比旋翼葉片稍大，能夠包圍兩邊的外框作為保護裝置，同時也可以作為感知外部物體接觸的感應裝置，稱其為轉子。轉子通過物理結構連接在馬達上轉軸上，其能通過摩擦力隨著旋翼葉片一起旋轉，其轉速遠小于旋翼轉速。

傳統的固定式保護架，其具有大量空隙能夠讓人的手指或者樹枝等物體插入并接觸轉子，無法做到全方位、全覆蓋的防護;感應式規避的保護措施又無法做到應對突如其來的接觸，無法完成即時的防護。

而我們設計的轉子保護結構，其中低速旋轉的特性，使得其能夠即時地、全方位、全覆蓋地感應并保護外界物體。在物體接觸到轉子時，先給了旋翼保護系統緩沖的時間，進而對旋翼進行剎車，使物體不與高速轉動的旋翼相接觸。

（2）重量相較于一般的傳統旋翼保護裝置較輕

我們的保護裝置主要重量來自與轉子結構，轉子體積很小，且對于材料強度要求較低，我們最終選取樹脂作為轉子材料，因此其重量極輕，僅為20.00g，遠低于傳統的固定式保護裝置。

（3）氣動性能影響較小。

對比于傳統的固定式旋翼保護裝置，我們的轉子結構所占空間極少，且其截面積很小，其旋轉時幾乎不阻礙旋翼的氣流。轉子對于空氣動力影響要遠遠小于無人機保持架或者旋翼吊桿本身的空氣動力影響。

（4）保護更為可靠。

我們的轉子保護結構，不僅在與物體接觸時起到了緩沖的作用，在感應危險接觸時觸發進一步的剎車系統，快速地在0.06s內對旋翼進行剎車，防止了進一步可能的傷害。

（5）結構較為簡單，成本較為低廉。

系統由轉子結構，紅外光學感應原件，迷你型單片機以及一些連接裝置組合而成，無需昂貴的傳感裝置也無需設計避障系統，成本十分低廉。且其結構與原理十分簡單，無需復雜的使用說明，即使是最初級的用戶也能有效地使用。

4? 實驗

為了驗證我們的無人機旋翼保護裝置的實用性與可靠性，我們分別就剎車效率和保護性能兩部分對保護系統進行了相應的測試。

4.1 剎車效率

我們通過實驗多次在旋翼槳葉最大轉速下觸發制動系統，用以測試旋翼保護系統的制動響應速度與對槳葉剎車使其停止轉動的時間。

旋翼轉速最大時約為2300r/min，同時轉子的轉速約為200r/min。觸發制動動作時，制動系統可以保證處理感應型號并做出響應時間時間范圍在0.0100～0.0150s，最小感知延遲為0.0108 s。這樣，我們可以得到觸發制動剎車系統的激活延遲時長，即系統響應時間t1。

我們利用一臺使用4000赫茲快門的高速攝像機對旋翼制動減速的時間進行了測量，同時我們也可以通過視頻中旋翼槳葉的旋轉方向及轉一周所用時間計算出旋翼槳葉的瞬時速度，并且獲得旋翼槳葉最終停止所花費的時間，即制動減速時間t2。

最后我們利用

T=t1+t2

可以計算得出從感應信號系統接觸到外部物體到觸發系統響應最終完成槳葉制動減速的總時長，即響應制動時長T。

通過實驗數據我們可以得出結論觸發事件到轉子減速啟動，測量延遲為0.0118s。旋翼槳葉需要0.0474s后才能完全停止。總響應制動時長約為0.0592s，能夠保障在手指接觸到旋翼槳葉前，旋翼已經完全停止。

4.2 保護性能

為了檢驗旋翼保護系統的保護性能，我們使用精肉制作的火腿腸代替人手指測試加裝旋翼保護裝置時旋翼槳葉對于人體的傷害，并與未加裝旋翼保護裝置時進行比較。我們通過實驗比較轉子和旋翼槳葉對手指造成的最大劃痕深度來評估每次撞擊的嚴重程度（見圖5），結果見表3。

研究實驗發現，對于無保護裝置的旋翼槳葉沖擊，手指在5次實驗中均被每一片槳葉割傷，割傷傷口深度在2.1～5.1mm間不等，可以看到用精肉火腿腸模擬的人手指明顯被割爛后飛濺。相比之下，安裝了旋翼保護裝置在5次測試中，轉子對手指造成的傷害幾乎看不出，通常小于0.1mm深。

我們很容易得出結論，旋翼葉片高速轉動時，對于手指的沖擊力較高;加裝旋翼保護裝置時，轉子以遠小于旋翼葉片速度轉動且材料硬度更小、彈性更大，對于模擬人手指不會造成肉眼可見的傷害，防止了人手與槳葉進一步接觸。當手指更深入觸碰到旋翼槳葉時，旋翼保護系統已經完成了對旋翼槳葉的快速制動，旋翼已經完全停止。

與未安裝保護裝置的旋翼槳葉相比，安裝了旋翼保護裝置的槳葉對于傷害人體的危險將極大程度地減少。

5? 結語

綜上所述，我們針對于預防無人機旋翼槳葉傷人，提出了一種創新的旋翼保護裝置，其具有以下五大優勢：全方位防護、重量輕體積小、氣動性能影響小、保護性能強、成本低廉。該保護裝置能夠大幅度減少用戶在使用無人機時遇到的潛在威脅，相信在未來具有良好的應用前景與參考意義。

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