一種四旋翼無人機的設計及應用

陳進穩， 蔣 超，李 雷， 陳友鵬

(廣州南洋理工職業學院 ， 廣州 510925)

0 引言

1914年，英國的卡德爾和皮切爾兩位將軍向英國軍事航空學會提出了一項建議——研制一種不用人駕駛的無人飛機奇襲敵后，投擲炸彈[1]。1927年，由A.M.洛教授參與研制的“喉”式單翼無人機成功試飛，在當時引起巨大震動[2]。近幾年，受需求拉動和局部戰爭中無人機卓越表現的激勵，對無人機的研發空前重視，無人機技術已成為未來科學研究最重要的一個環節。隨著無人機技術的發展，特別是多旋翼無人機兼具價格低廉、結構簡單、自由懸停的優勢，成為消費領域和商用領域的熱門[3]。

1 一種四旋翼無人機的設計

無人機機身上面的支架稱之為旋翼，所謂多旋翼，就是多種支架組成，如四旋翼無人機就是擁有四個支架的無人機。多旋翼無人機在設計上遵循實用性、藝術性和創新性三個特點[4]。實用性指的是該四旋翼必須有價值，能實現飛起來的要求。藝術性指的是設計上遵循美學特點，美觀，大方。創新性指的是該四旋翼無人機有一點創新，不拘泥且灑脫。遵循以上三個原則，如圖1所示，一種四旋翼無人機的設計方案最終得以成功試飛，體現了實用性。圓和方的組合，體現了簡約和大方的藝術美感。從外觀到選材，每一個模塊的選擇和安裝完全是原創設計，體現了創新性的設計理念。此四旋翼無人機采取了極簡主義設計理念，大膽追求簡單而不空洞，拋棄花哨的元素，絕不拖泥帶水，只求返璞歸真。

圖1 廣州南洋理工職業學院四旋翼無人機Fig.1 Quadrotor UAV of Guangzhou Nanyang Polytechnic College

2 四旋翼無人機系統的組成要素

該四旋翼無人機是可以自主飛行的飛行器，系統主要由機架機身、動力系統、飛行控制系統、遙控系統、輔助設備系統五部分組成，各個部分組成要素如下：

A.機架機身采用鋁合金和樹脂材料。四個旋翼分別由四個鏤空的大圓環組成，四個圓環的尺寸和高度一模一樣，并且均勻安裝在四個邊角上，使得整體上保持平衡，利于飛行。

B.動力系統完全由四個鋰電池來提供能量。由于無人機自重太大不利于飛行，所以通常鋰電池不敢做得太大。該設計鋰電池重量為500 g,完全充滿需要耗時1 h，充滿后可以為無人機提供0.5 h的飛行動力。

C.飛控系統指的是無人機的飛行控制系統[5]。本設計采用開源軟件APM：Copter V3.5.7。飛控軟件全程監控無人機飛行過程，可以通過事先在電腦上規劃的運動路線讓無人機智能地按照電腦上規劃好的運動路線進行飛行，配合Gps定位系統、主控芯片及其他傳感器，以保障整個無人機飛行過程中定位與導航。

D.遙控系統是無人機中用于遙控的設備。除了按照規劃的路程讓無人機自由自主飛行以外，本無人機上安裝有紅外線接收器，可以人工手持紅外線發射器對本無人機的飛行過程進行遙控，手動下達飛行命令。

E.輔助設備系統是無人機核心設備以外的其他設備。本無人機在四個不同的角度安裝有四個超聲波避障器，可以實現360°避障。該四旋翼無人機后續將安裝相機和圖像傳輸設備，實現航拍用途。

3 四旋翼無人機的用途

本四旋翼無人機的主要用途是為了滿足教學教研需要。本次無人機設計過程中，很多學生參與進來，自主進行安裝和試用，系統地學習了gps導航、光流等定位系統，使用APM：Copter V3.5.7進行,并且第一次理解無人機在高空中保持平衡的能力。該四旋翼無人機可以做到實現個人航拍需求，如果在無人機上安裝好相機及攝影裝置，即可根據需求拍攝出所需畫面。此四旋翼無人機制作了樣品并試飛成功。

4 無人機市場需求

無人機在諸多領域得到運用，如物流管理、軍事領域等，市場十分龐大，未來前景無限，備受關注。

無人機航拍。2014年12月16日，一個叫做Dronestagr.am的網站收集并展示了很多無人機拍攝的鳥瞰圖，能從不同的角度看到世界上的人物與景物，這個網站評選出一組2014年度最佳無人機航拍照片[6]。

工程中經常使用無人機進行信息收集和運輸。一份名為《全球無人機物流和運輸市場》的報道預計，無人機物流運輸市場將從2022年的112億美元增長到2027年的290.6億美元，在預測期內的復合年增長率為21.01%。據統計，2022年，商業領域將引領無人機物流和無人機運輸市場，越來越多的無人機用于各種類型的應用，例如庫存管理、庫存跟蹤、包裹遞送、醫療用品和食品的遞送交付等等，帶來商業領域的增長[7]。

軍事上，無人機可以用于偵察與作戰。據報道，2019年某日，沙特國家石油公司(阿美石油公司)遭也門胡塞武裝部隊出動的10架無人機襲擊。無人機襲擊威力巨大，竟然致使沙特原油供應每日減少570萬桶，約占沙特石油產量的50%，損失十分嚴重。

5 結語

設計了一種四旋翼無人機，設計上遵循了實用性、藝術性、創新性的要求，大膽采用極簡主義設計理念，從機架機身、動力系統、飛行控制系統、遙控系統、輔助設備系統五部分描述了該設計的組成結構，制成成品，在操場試飛，獲得了圓滿成功。