四旋翼無人機帶機械臂的設計與研究

鮑佳松

摘要：四旋翼無人機已經進入了眾多的應用領域，在國家建設以及工程中扮演著越來越重要的角色。目前研究四旋翼無人機姿態及機身設計的文章較多，但是很少有帶機械手臂的無人機。因此，本文采用了以往常見的無人機模型，設計出機械手臂，既能保證無人機飛行過程的平穩性，而且保證抓取東西的快速、準確性。本文不僅設計了無人機的整體形態，而且選擇了適合無人機飛行的硬件設施，為工程應用打下了基礎。

關鍵字：四旋翼飛行器;機械手臂;抓取;硬件設施

一、前言

目前，國內外研究無人機的人員越來越多，先進的無人機也層出不窮。但是大多數研究者只是關注于飛行姿態、飛行穩定性，而帶有機械手的無人機則研究較少。在近年來，無人機不管是在飛行姿態、操縱系統、穩定性設計等都有長足發展，但是帶有機械手的無人機動態操作等問題還比較突出。

在設計研究當中，無人機加上先進的操縱手臂之后，不僅改變了飛行器的整體重量，而且對于飛行中的控制提出了較大問題。在無人機飛行過程中，抓取動作的準確性、穩定性是考慮的重要問題。比如說，無人機在告訴的飛行中，對于其飛行速度與飛行的時間要求比較高，這就要要求無人機能夠快速、及時地抓住物體，而且有時還需要對目標進行監視，這樣就會避免因為噪音而引起的注意。除此之外，無人機動態抓握功能可以擴展到實時棲息，這可以用來快速地躲避大風、通過減少懸停時間來提高續航時間。

華北電力大學張虎[1]等在眾多無人機研究的基礎上，利用四旋翼飛行器作為基本結構，進行改進與創新，研究了一種飛滑式輸電線巡檢機器人，這種無人機結合了現有的四旋翼飛行器與巡線機器人優點的具有飛行與線上滑行巡檢功能的機器人。Justin Thomas團隊[2]在多年觀察仿生機械的基礎上設計研究了一種采用被動機制的機械手爪，這種手爪在抓取中能夠不受外界環境的干擾，同時在垂直起飛和著陸系統中啟用被動棲息的設計上采用了優化分析;Courtney E. Doyle團隊[3]在多年針對放生機械研究的基礎上，在無人機上加入了受到控制的附屬物，使其能夠高速地鎖定對象并進行抓取。

本文以無人機整體設計為核心，分別對無人機的控制系統、工作原理及控制做出介紹，合理選擇適合無人機的硬件，對工程應用具有較大的指導價值。

二、無人機總體設計

1.無人機控制系統組成

在整個的無人機系統當中，系統通過無線電與地面實現通信。在四旋翼無人機下方設置機械手，通過舵機控制其運動[4-6]。操作人員可以在地面輸入指令，進而控制飛行器的飛行狀態。同時，控制器還可以控制機械手的動作，實現抓舉、松開等動作

2.無人機飛行器工作原理

四旋翼飛行器由四個螺旋槳驅動，螺旋槳分別有獨立電機帶動。在控制系統當中，旋轉的力矩與平移動作實現了耦合。如果排除外界擾動，旋翼就能夠產生與重力相等的升力，飛行器便處于懸停狀態[7]。同時另外一組螺旋槳一個速度增大，一個速度減小就會產生俯仰和滾動的姿態;兩組螺旋槳阻力矩的差異產生偏航姿態。

3.機械手控制

機械手的控制是此次設計的關鍵。手爪的設計要顧及到飛行器的相對移動速度，這樣就能夠獲得相應的載荷;同時要考慮到其棲息能力，適應不同的環境，能夠在廣泛的區域停留。

4.無人機整體效果圖

三、硬件系統選擇

1.電調的選擇

電調一般選擇性能較高的無刷電子調速器。首先，電調的選擇要考慮到無人機工作的功率，其次要考慮續航能力與載荷，因此選擇無刷電機來與之匹配。。

2.電池的選擇

旋翼無人機所采用的電池為鋰電池，全稱為“鋰聚合物電池”（又稱高分子鋰電池），相對于其他比較傳統的電池來說，其重量輕、續航時間長，這樣就能更加好地實現應用。

3.遙控器選擇

無人機遙控器一般選擇美國的手遙控器以及日本的手遙控器。同時，遙控器可以控制多個目標，如果接收機損害之后也能采用其他的遙控器所取代，不用再換遙控器，只需要進行簡單的對碼設置即可[8]。即遙控器發射的信號接收機能收到并進行解碼，并非任何遙控器都可以對上任意的接收機，應根據制造商的規定，不同遙控器系列對不同接收機系列對碼有相應的要求。

四、結論

此次的設計主要是對無人機整體、手臂的設計等進行研究，設計還是在理論基礎上進行設計，并沒有進行較多的驗證，因此沒有實物參數進行支撐，因此，它在實際環境中的穩定性和抗干擾能力還有待進一步的研究。同時，文章中選取了電調、電機及遙控器的選擇，針對無人機輕量化的研究還可以選擇7075不銹鋼鋁材、碳纖維管等輕質材料。

參考文獻：

[1]張虎.飛滑式輸電線路巡線機器人控制系統研究與實現[D ].北京：華北電力大學，2014.

[2]程敏.四旋翼飛行器控制系統構建及控制方法的研究[D ].大連：大連理工大學，2012.

[3]劉志軍.一種自主飛行四旋翼系統設計與實現[D ].西安：西安科技大學，2014.

[4]郝文杰，劉浩，程吉利.基于紅外探測的四旋翼飛行器保護裝置設計[J].電子制作，2014，（08）：17-18.

[5]張家琪.四旋翼直升機姿態運動控制研究[D ].沈陽：東北大學，2009.

[6]程雪工 . 六旋翼無人飛行器設計[D]. 西安：西安電子科技大學，2013.

[7]聶波紋 . 微小型六旋翼無人飛行器模型及表示方法研究[D]. 武漢：華中科技大學，2013.

[8]譚號云 . 控制工程學第三版[M]. 長沙：湖南大學出版社，2013：59-92.

（江蘇師范大學 江蘇徐州 221000）