水空兩用無人機的設計與控制系統研究

文偉，鄧昌勝，樊志緯，呂雯昕，王純賢，吳煒

（合肥工業大學，安徽 合肥 230009）

0 引言

水空兩用無人機是一種集空中飛行與水下潛行功能于一體的創新型無人機，可執行警戒、偵測、突防等軍事任務和大壩檢修、水質檢測、航拍、潛拍等民事任務，具有較高的靈活性，有重要的軍用與民用價值[1-3]。通過對水空兩用無人機的飛行控制系統、水下浮沉系統與信號傳輸系統等進行整體設計，保證水空兩用無人機在復雜的多介質領域中平穩運行。同時加入超聲波自主避障、GPS定點、航線規劃等功能設計。無人機全機身防水，具有良好的抗壓、抗強水流特性。

1 水空兩用無人機整體設計

水空兩用無人機以STM32F407ZET6單片機為控制芯片，主要由控制模塊、動力模塊、視頻傳輸模塊、水下浮沉模塊、信號傳輸模塊等主要模塊組成。其中控制模塊主要由傳感器、主控芯片、執行部分與無線通信部分組成，用于控制無人機在空中與水中的工作姿態；動力模塊主要由電調、電動機、螺旋槳與鋰電池等組成，為無人機提供動力；視頻傳輸模塊指圖像傳輸系統，可以遠程實時傳輸攝像機圖像；浮沉模塊主要由真空艙、水氣兩用泵和電磁閥等組成，控制無人機在水中的上浮和下沉；信號傳輸模塊主要由遙控器和接收模塊構成，接收模塊接收由遙控器發來的指令，并將指令發送給控制模塊。無人機整體結構如圖1所示。

圖1 水空兩用無人機整體設計

2 水空兩用無人機工作原理

2.1 空中飛行原理

水空兩用無人機空中飛行模式基于四旋翼無人機飛行原理，使用四組電機和螺旋槳作為驅動力，四個電機機臂互為90°夾角，四組電機的軸距相等。兩組電機和螺旋槳順時針旋轉，兩組逆時針旋轉，產生的扭矩互相抵消。通過對電機轉速進行調控，控制無人機的升力、扭矩、水平分力等，以完成上升、懸停、下降、偏航、前后與左右運動[4]。

2.2 水下浮沉結構浮沉原理

水空兩用無人機在水中運行時，需要通過電磁閥、真空泵、真空艙組成的浮沉系統來實現上浮和下沉，并控制無人機的運行狀態。水空兩用無人機的浮沉模塊是基于潛水艇的浮沉原理設計的，具有體積小、耗能小、浮沉易于實現等優點。當無人機浮于水面上時，電磁閥打開，水氣兩用泵向真空艙中注水，使無人機懸浮于水中，關閉電磁閥。若要實現下潛，打開電磁閥并使真空泵運行，通過調節向真空艙中的注水量，實時控制無人機的下潛深度；若要實現上浮，關閉電磁閥并使真空泵運行，將真空艙內水抽出，使無人機上浮至水面，控制浮沉的原理圖如圖2所示。

圖2 浮沉原理

水空兩用無人機在飛行模式下，使用的是尺寸較大的槳葉；在潛水模式下為了減小槳葉水下運行的阻力，需要更換尺寸較小的槳葉。無人機通過浮沉系統實現浮沉功能的同時，可以結合電機的低速旋轉，提高浮沉系統的工作效率。

3 控制系統硬件與算法設計

3.1 控制系統硬件設計

飛行控制系統硬件設計圖如圖3所示。采用STM32F407ZET6為主控芯片，其主頻高達168MHz，片內封裝大小為512KB的Flash，自帶DSP指令和浮點處理單元，有利于提高無人機姿態數據的計算速度。選用姿態角傳感器ICM 20602（含加速度計與陀螺儀）、QMC5883磁力計、MS5611氣壓計、溫度傳感器等。硬件電路預留的USART接口可用于外接超聲波、激光、光流等傳感器，通過傳感器測距，實現自主避障與定點懸停等功能。控制硬件電路設有14個PWM輸入輸出接口，可用于遙控器PWM信號的輸入與電子調速器、舵機等PWM控制信號的輸出。另外，配置1.3寸OLED屏幕，通過IIC與主控芯片通信，可用于顯示無人機工作狀態、電壓、控制信號連接強度等信息。

圖3 控制系統硬件設計

3.2 控制系統算法設計

水空兩用無人機的控制系統需要控制空中飛行姿態、飛行高度、潛水姿態、下潛深度等，其中飛行姿態與水下運動控制為整個控制系統的核心。采用串級PID控制器實現穩定的飛行控制與下潛深度控制，控制器原理圖如圖4所示。其中內環、外環中的PID控制器均采用離散增量PID算法，內環PID控制器進行角速度控制，外環PID控制器進行角度控制[5]。離散增量PID算法公式為：

圖4 水空兩用無人機串級PID控制

公式中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數；n為采樣序號，n=0，1，2....；U（n）為第n次采樣時的輸出；e(n)和e（n-1）為第n次和第（n-1）次采樣時的輸入誤差；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；T為采樣周期。

4 實物平臺實驗

4.1 實物樣機制作

根據總體設計，使用Solid Works建模軟件進行3維圖像建模，采用3D打印核心艙、真空艙等非標準件。無刷電機、槳葉、電子調速器等元件根據設計要求進行選配。最終完成水空兩用無人機的實物樣機，如圖5所示。使用軟件Proteus進行飛行控制系統電路硬件設計并進行PCB打板，基于STM32F407單片機，使用軟件Keil uvison5進行飛行控制系統程序設計。

圖5 水空兩用無人機實物樣機

4.2 空中飛行實驗

在無人機飛行測試場地，對水空兩用無人機飛行模式下的控制系統進行實驗，如圖6所示，控制無人機上升到空中并定點懸停一段時間。實驗結果表明加入磁力計校準后，無人機不會因為加速度計與陀螺儀的累計誤差而產生溫度漂移與零點漂移。并且無人機的前后、左右運動均正常。多次測試表明，水空兩用無人機控制系統在飛行模式下工作狀況良好。

圖6 水空兩用無人機飛行實驗

4.3 水下密封性實驗

水空兩用無人機在潛水模式下的氣密性對于保護電路系統至關重要。在正式下水前需進行嚴格的氣密性測試，著重檢查螺紋連接處、艙體內部、兩艙連接處等，在艙體內部放置水檢測試紙，若艙體漏水則試紙變色。將無人機置于水池中，使水沒過無人機，如圖7所示，放置一段時間后，再打開艙體蓋，檢查試紙是否變色。在淺水池、深水池中進行的多次實驗表明，無人機艙體氣密性良好，能夠滿足設計需求。

4.4 水下運動實驗

經過氣密性實驗后，在深水池中進行水空兩用無人機的水下運動實驗。通過控制電磁閥、真空泵，控制真空艙的進水量、排水量，結合低速旋轉的電機，實現水下的浮沉運動，如圖8所示。實驗結果表明，無人機切換到潛水模式后，能夠穩定實現浮沉運動。

圖8 水下浮沉實驗

5 結語

本研究設計了一種水空兩用無人機，建立了幾何模型并進行了有限元分析，建立了水空兩用無人機的串級PID控制系統模型，完成了飛行、潛水兩種模式的控制系統程序設計，并最終完成了實物樣機的制作與實驗。實驗表明，這種設計方案可以使無人機集飛行功能與潛水功能于一體，可應用于多介質的復雜環境。本設計為水空兩棲無人機的研究提供了一種思路，具有一定的參考價值。但是，該設計對于無人機跨介質與水下運動的研究還有許多不足，下一步將圍繞這些問題展開。