基于多旋翼無人機的空中移動載物平臺

于尊港 張冉

摘? 要：近年來，隨著微機電系統技術及自動控制技術的成熟，多旋翼無人機發展迅速，在軍用及民用領域展現出了巨大的應用潛力。該文提出了一種基于四旋翼無人機的空中移動載物系統，利用多旋翼無人機、計算機和多個模塊的相互協作，實現了一機多用的目的，能夠大幅度提高多旋翼無人機的利用率。

關鍵詞：多旋翼無人機? 無人機控制? 一機多用? 無人機通訊? 掛載系統

多旋翼無人機由于具有垂直起降、自由懸停、結構簡單、控制靈活等優點，多旋翼無人機理論自20世紀10年代被提出以后便引起了人們極大的興趣。近年來，隨著微機電系統技術及自動控制技術的成熟，多旋翼無人機發展迅速，在軍用及民用領域展現出了巨大的應用潛力[1]。

目前多旋翼無人機的應用面非常廣，但是它的利用率并不高。比如，植保無人機無法在婚禮現場進行高清航拍，只因植保機掛載的是噴霧系統，而不是高清攝像機。這種現象嚴重影響了無人機的利用率。能否設計一個新的無人機載物機構，能夠讓多旋翼無人機在復雜的場景中靈活切換運用，實現一機多用的目的，提高無人機的模塊化和自動化水平，從而提高多旋翼無人機的使用率以及使用場景。多旋翼無人機可以應用在抗震救災中。以往可能需要多臺無人機配合來完成抗震救災任務，但是使用新的無人機掛載系統后使用單個無人機就可以更換相機、熱感應、聲納、激光掃描儀等掛載模塊進行不同的工作;夜間可以掛載燈光實現臨時照明。我們會以此類問題為中心進行詳細探索，以理論與技術相結合的手段，嘗試制作模型，以驗證它的應用。

1? 背景

隨著資源的緊缺，多功能用途的產品越來越多，人們對于多功能用途的產品也越來越感興趣，但是多功能用途的產品存在著成本高、使用率低、設計不合理等問題。

在現今這個高新技術盛行的時代，無人機技術已經非常成熟，各種技術、設計層出不窮，比如數字建模技術、3D打印技術等。多旋翼無人機的懸停性能、續航時間、載荷、控制距離都比原來有了很大的提升，多旋翼無人機已相當成熟，可以完成某些特定的復雜任務。

3D打印技術的普及、無線通信技術的發展就是一個機會，我們可以根據需要，定制掛載模塊，并內置一個控制模塊以實現對于掛載設備的統一管理。

2? 控制系統架構

多旋翼無人機采用PIXHawk作為飛行控制器，該控制器擁有168MHz的運算頻率，并突破性地采用了整合硬件浮點運算核心的Cortex-M4的單片機作為主控芯片，內置兩套陀螺和加速度計MEMS傳感器，互為補充矯正，內置三軸磁場傳感器并可以外接一個三軸磁場傳感器，同時可外接一主一備兩個GPS傳感器，在故障時自動切換[2]。從而具備高精度定位、導航和自主飛行的能力。

掛載系統采用Arduino單片機作為控制核心，Arduino是靈活性高、容易開發、穩定性強的電子開發原型平臺，Arduino可以獲取各類傳感器的電信號，并可以輸出電信號控制裝置來實現指定功能[3]。

多旋翼無人機飛行控制系統與掛載系統控制核心相互獨立，以提高無人機飛行、掛載系統工作的穩定性;利用地面站、遙控器與飛行控制器、掛載系統控制核心進行連接，從而實現對無人機飛行、掛載系統動作的控制。

3? 通信系統架構

采用基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議的ZigBee通信技術，將飛行控制器、Arduino控制器采集的數據傳輸到地面站，地面站的控制指令也可通過通信系統上傳至Arduino控制器，實現雙向通信。

Arduino控制器與掛載模塊之間采用觸點接觸的通信方式，將各種信號、指令傳輸至掛載模塊，掛載模塊通過觸點接觸將各類傳感器采集的信號傳輸至Arduino控制器。

若多旋翼無人機執行任務所需飛行距離超出控制距離，可通過地面站向無人機飛行控制器和掛載系統控制核心發送所需的任務數據，自動執行任務，提高了多旋翼無人機的靈活度。

4? 掛載系統架構

通過多旋翼無人機的載物能力，將一種或多種掛載模塊帶入空中，多種掛載模塊同時空可以相互配合完成較為復雜的任務，掛載模塊可以根據需求進行設計，并根據所需執行任務隨時更換掛載模塊;預留多功能接口，可擴展被掛載模塊。

（1）空中喊話系統：獨立的信號放大電路，將控制核心輸出的模擬信號進行放大，通過定向喇叭進行喊話;在大范圍通知下達等領域充分利用。

（2）空中投影系統：遠程播放的投影系統，根據多旋翼無人機的飛行特點設計穩定器、自動焦距調節程序;在宣傳片的放映等領域充分利用。

（3）空中照明系統：通過控制核心控制的繼電器，集成高亮度LED、外掛電源進行供電以盡可能地減少多旋翼無人機飛行穩定性的影響，并可在俯仰軸進行轉動，可執行緊急照明任務。

（4）空中信號中繼系統：攜帶自組網平臺、集群微型基站、微型基站等多種通信設備的中繼系統模塊，通過多旋翼無人機搭建應急通信中繼系統，減少某一區域因通信系統故障導致的影響。

（5）空中投放系統：一款動作機構，通過地面站進行控制;利用無人機的載物能力，實現空中投放任務。

5? 結語

掛載模塊標準的不同導致多旋翼無人機的工作效率低下，針對此問題我們可以設計功能不同但標準統一的掛載模塊，利用數字建模和3D打印技術對掛載模塊進行設計、制作，從而根據需求快速制作掛載模塊，快速進行使用;采用軟硬件相互配合，降低了系統硬件的復雜程度，提高了系統的整體穩定性。

以多旋翼無人機作為載體，通過自主設計的多功能掛載模塊實現空中投影、空中照明、航拍、空中喊話、通信中繼、空中投物等功能;可用于舞臺效果的制作、廣告宣傳、交通疏導、應急通信等場景，從而實現一機多用。

參考文獻

[1] 魏麗娜，寧會峰，陸旺，等.多旋翼飛行器的關鍵技術及應用前景[J].自動化技術與應用，2016，35（9）：1-4.

[2] 李大偉，楊炯.開源飛控知多少[J].機器人產業，2015（3）：83-93.

[3] 王臻，李建軍，康輝，等.基于Arduino的電驅精密播種控制系統[J].中國科技信息，2019（18）：82-83.