基于六旋翼的水質采樣無人機設計與實現*

劉小軍，溫宏愿，劉 超，陳梓標，宋 濤

(1.南京理工大學泰州科技學院 電子電氣工程學院，江蘇 泰州 225300； 2.南京理工大學泰州科技學院 智能制造學院，江蘇 泰州 225300)

0 引 言

隨著我國社會經濟的快速發展，環境問題特別是水質污染問題，越來越得到國民的重視。近年來由重金屬和化學品引發的地表水污染事件不時出現，嚴重威脅人們的生命和財產安全[1]。當水質污染事件發生時，必須快速準確找到污染物源頭，并適時采樣進行定性或定量的研究，這在一定程度上提高了水質檢測應急處理的技術要求。

在復雜的工作環境下，傳統的人工檢測存在靈活性差、危險系數高等缺點；采用無人船替代人工可實現遠距離水質采樣檢測，實時移動追蹤污染源[2-3]，但同時也存在諸如水面有大量障礙物、急速水流時無法到達檢測地點的情況。

多旋翼無人機具有結構簡單、機動性好、操控方便、作業選擇性強等特點，廣泛應用于農業[4]、林業[5]、地形測繪[6]、電力[7]、災害監測及環境監測[8]等領域。筆者設計了一種基于六旋翼的水質采樣無人機，該系統將采水裝置和機載相機搭載于無人機平臺上，可實現高效、可視化水質采樣作業，旨在為今后水質采樣無人機的設計提供一定的借鑒作用。

1 總體設計方案

根據水質采樣作業要求，多旋翼無人機需要能夠輕松承載水質采樣器和水樣，且在水面上方低空穩定飛行、持續作業。多旋翼無人機一般分為四軸、六軸和八軸無人機[9]，六旋翼無人機相比于四旋翼無人機具有穩定性能高，抗風性能好的優勢；相對于八軸無人機來說，在載荷相同的條件下，六旋翼無人機單次起降能夠完成更多的作業任務。水質采樣無人機需要載重1.5 L的采樣水，在續航能力、穩定性以及抗風性的綜合考慮下，決定選用六旋翼無人機作為飛行平臺。

基于六旋翼的水質采樣無人機實物如圖1所示。基于六旋翼的水質采樣無人機總體設計框圖如圖2所示。該系統主要由六旋翼無人機和水質采樣裝置兩個子系統組成。其中六旋翼無人機主要由機架、動力系統、飛行控制系統、云臺相機等部分構成，負責按要求飛到指定的水質采樣地點；水質采樣裝置主要完成水質采樣任務。

圖1 六旋翼水質采樣無人機實物圖

圖2 系統總體設計框圖

無人機作業時，操作員使用地面站將飛行控制指令通過2.4 GHz無線通信方式發送給接收機，接收機將控制信號發送給飛行控制系統，飛行控制系統根據接收到的信號、姿態解算結果和控制算法計算出電機轉速控制量，并將控制量通過電子調速器轉換成相應的三相電壓值，進而控制直流無刷電機的轉速，達到靈活控制無人機飛行的目的。當無人機飛到指定位置時，懸停于水面上方指定高度，操作遙控器的撥桿控制水質采樣裝置進行水質采樣作業，同時云臺相機傳輸視頻，方便操作者觀察水面作業情況。在整個作業過程中，可以通過地面站實時監控無人機的飛行情況。

2 六旋翼無人機設計

使用 SolidWorks 進行機械結構三維設計仿真，根據設計要求，為了確保飛行的穩定性，以及大載荷下機械機構的可靠性 ，設計的六旋翼水質采樣無人機機械結構示意圖如圖3所示。

從圖3可知，六旋翼無人機零部件主要由機架中心板、機臂、鏈接件、電機機座、鋰電池、GPS模塊、飛行控制器、螺旋槳、無刷電機、電子調速器(簡稱“電調”)、接收機和起落架等構成。機臂、電機和螺旋槳以正六邊形方式均勻地分布在無人機周圍，電機安裝在電機機座上。

圖3 六旋翼無人機結構示意圖1.機臂 2.電子調速器 3.中心板(下板) 4.鏈接件 5.中心板(上板) 6.鋰電池 7.GPS模塊 8.飛行控制器 9.螺旋槳 10.電機機座 11.接收機 12.無刷電機 13.云臺相機 14.起落架

2.1 機架設計

機架中心板選用高強度碳纖維材料，由上中心板和下中心板構成，上、下中心板分別通過24個螺紋孔連接六個機臂折疊件的上下端進行固定。上、下中心板之間形成鏤空[10]，用于放置電子調速器、電源模塊以及各單元連接的導線部分。上、下中心板通過雕刻加工設有眾多圓孔和直槽口，用于飛行控制器、鋰電池、GPS模塊以及水質檢測裝置的固定，此結構可以減輕機架中心板重量，且有助于通風散熱。

此外，無人機進行負載作業時，整體機架必須具備足夠的承載力和結構強度，才能達到飛行的穩定性和耐受力。機臂由于其特殊的結構，承受的作用力最大，有必要對機臂部分進行強度校核。機臂采用主流的碳纖維管材質，其應力大小σ為7 GPa，所以水質采樣無人機的機臂所承受的最大應力大小應小于7 GPa。對整個等截面杵件來說，彎矩產生了水平面彎曲，最大正應力發生在彎矩最大的截面上，也就是邊緣點位置。由應力計算公式(1)～(3)可計算出應力大小：

(1)

(2)

(3)

式中：直徑D為20 mm，壁厚d為2 mm，Mmax表示滿載重量，大小為8.30 kg，WZ表示抗彎界面系數。

本設計采用直徑15英寸的螺旋槳，為了使螺旋槳的工作效率最大化，相鄰槳葉間應留有100 mm距離[11]，六旋翼無人機相鄰臂長的角度為60°且臂長相等，計算得到理論機臂長度為481 mm，考慮機臂安裝位置距離中心板中心點約100 mm，實際機臂長度設計為381 mm，符合設計要求。

2.2 動力系統設計

動力系統主要包括鋰電池、電調、電機和螺旋槳等部件，給無人機穩定飛行提供足夠的動力，對水質采樣無人機的帶載作業有著決定性的作用，是飛行設計任務中必不可少的一環。

2.2.1 電機選型設計

動力系統設計主要考慮電機所承載的拉力是否滿足無人機在最大載荷情況下的穩定飛行。設水質采樣無人機的空載重為Mk，采樣水重量為Mc，滿載條件下的水質采樣無人機的總重量為Mmax，每個電機拉力為F，電機數量為N，有如下關系：

Mmax=Mk+Mc

(4)

(5)

水質采樣無人機作業時，采樣裝置和無人機通過吊索連接，有風的情況下會增加作業難度，考慮安全裕量，平均到每個電機的最小拉力滿足：

Fmin=(1+α)F

(6)

水質采樣無人機的空載質量Mk=6.80 kg，采樣水重量Mc=1.5 kg，電機數量N=6，安全裕量因子σ取0.3，根據公式(4)～(6)，求得水質采樣無人機滿載作業時，單個電機所需提供的最小拉力為 1.80 kg，空載作業時，單個電機的最小拉力為 1.47 kg。

無人機作業過程中的拉力大小是根據電機所匹配的螺旋槳共同決定的，結合實際需求，選用kV值為340的颶風4110電機搭配1555螺旋槳。電機參數如表1所列，電機搭配1555螺旋槳在25 V電壓下的性能參數列表如表2所列。

表1 電機參數列表

表2 颶風kV340搭配1555槳在25 V電壓下性能參數列表

電調和電機直接相連，驅動和控制電機的方向和轉速。由表1可知，電機的最大工作電流為19 A，考慮2倍安全裕量，通常電調的最大電流應大于38 A，選用X-Rotor 40A作為水質采樣無人機的電調符合電流的設計要求。

由表2可知，颶風4110 kV340電機搭配1555螺旋槳在25 V電壓下的最大拉力為2.33 kg，符合滿載條件下的電機拉力需求設計。

2.2.2 電池選型設計

電池續航問題一直制約著多旋翼無人機的行業應用發展，因此在電池的設計中應重點考慮電池的容量大小。水質采樣無人機作業時，電量主要為電機所消耗，忽略其他部件電量消耗，電池放電電流If(mA)、單個電機工作電流Is(mA)、電池容量C(mA·h)、水質采樣無人機續航時間T(h)滿足如下關系：

If=NIs

(7)

C=kIfT

(8)

式中：k為安全因子，取1.3。

由上述所知，水質采樣無人機空載時單個電機的拉力為1.47 kg，由表2可知單個電機的工作電流約為8 A，設計的空載飛行時間為0.25 h，由公式(7)、(8)可得容量C為15 600 mA·h；同理，水質采樣無人機滿載時單個電機的拉力為1.8 kg，單個電機的工作電流約為11 A，設計的滿載飛行時間為0.18 h，可得容量C為15 444 mA·h。經計算，選用一塊容量為16 000 mA·h、電壓為25.2 V的6S格式鋰電池給無人機供電，滿足無人機滿載和空載條件下對電池容量大小的需求。

此外，無人機軸距是無人機結構設計的重要參數指標，軸距與螺旋槳長度的關系如下：

L′=(L×25.4)×2

(9)

式中：L表示螺旋槳的長度；L′表示軸距。

根據公式(9)計算得到六旋翼無人機的軸距至少為762 mm，根據機臂和中心板長度大小，無人機的軸距為 962 mm，滿足設計要求。此外，為了降低無人機收起后的寬度,增加運輸方便性和外表美觀度，采用向下可折疊機臂設計，六旋翼無人機的起落架高度應大于臂長，高度設計為400 mm，起落架的底部設有海綿套，在無人機降落的過程中可以起到緩沖作用。

2.3 飛行控制器選型

飛行控制系統是六旋翼無人機的重要組成部分，承擔無人機姿態傳感器的檢測和結算、數據通信、電機控制等，其中飛行控制器是核心部件。考慮到硬件成本和開源特性，基于Pixhawk開源硬件平臺，結合實際需求進行二次開發，采用雙處理器架構，分別以擅長強大運算的32bit的STM32F427為主處理器，以故障應對的STM32F103為協處理器，搭載陀螺儀、數字羅盤等外圍芯片電路，經飛行測試，性能良好、飛行穩定。

飛控軟件采用Pixhawk的原生固件，是專門為Pixhawk設計，包括Nuttx實時操作系統、中間件和飛行控制棧3個基本組成部分[12]。Nuttx嵌入式實時操作系統上采用多線程、模塊化設計，主要負責任務的調度和通信；中間件相當于硬件抽象層，提供設備驅動程序和數據傳輸等；飛行控制棧主要實現六旋翼無人機的姿態解算、自主穩定飛行等。

3 水質采樣裝置設計

水質采樣裝置固定在無人機平臺上，由控制系統和取水器組成，控制系統包括電機、吊索、線盤等組件，取水器包括容器、限位塊、配重塊和出水管，容量為1.5 L，結構如圖4所示。

圖4 水質采樣裝置結構圖 圖5 水質采樣裝置實物圖1.電機 2.吊索 3.安裝板 4.線盤 5.限位塊 6.容器

裝置整體材質采用鋁合金、碳纖維板以及耐腐蝕性材料制作，由鋰電池直接供電，共用無人機遙控器和接收機，支持遙控器接收機 PMW和SBUS類型，設置三段開關即可控制取水器升降。采用全自動上行/下行限位設計，避免過放下行和過收操作失誤，確保取水后飛行重心穩定，保證無人機的飛行安全，實物圖和設計參數如圖5、表3所示。

表3 水質采樣裝置參數列表

4 試驗結果

在完成機械結構、動力系統、飛行控制系統和水質采樣裝置的設計后，各部件經生產加工、選型并組裝成如圖1所示的六旋翼可視化水質采樣無人機，整體外行尺寸1 152 mm×1 072 mm×451 mm，空載重量6.80 kg。

4.1 空載測試

無人機作業測試前，需對其進行空載飛行測試，確保無人機飛行具有良好的穩定性和操控性，包括油門控制、通信數據鏈、水質采樣裝置升降等。測試地點選在校園空曠地帶，測試內容包括無人機各模塊的正確連接，起飛降落的狀態、前后左右升降飛行的操控性、懸停狀態的穩定性、無線數據的收發等。

4.2 作業測試

完成無人機空載飛行測試后，接下來進行多點水質采樣作業測試，測試地點選擇學校內湖。當天天氣情況為：最高氣溫10 ℃，最低氣溫3 ℃，濕度40%，風力3～4級，屬于正常的作業天氣。首先進行手動飛行作業，通過遙控器操控無人機到指定的采水地點，待無人機懸停穩定后，撥動開關控制電機放下采水裝置，裝置進入水下自動采水。通過機載相機，可以實現可視化作業，降低作業難度的同時提升了水質采樣的準確性。采水完成后，撥動開關收起裝置，控制無人機返回降落點。作業狀態如圖6、7所示。

圖6 作業實測圖 圖7 云臺相機畫面

如遇到飛行距離遠、飛行視野不好的情況，可采用自動飛行模式。通過地面站對無人機的飛行軌跡進行規劃，借助機載GPS和地圖實現自主導航功能，當無人機按照規劃路線飛到指點作業地點后，會自動進入懸停狀態，然后進行采水作業。

5 結 語

針對突發性水質污染事件發生時，如何快速進行水質采樣的問題，提出了一種基于六旋翼的水質采樣無人機系統方案，重點對方案的設計及實現進行了論證分析，通過試驗驗證了將采水裝置和機載相機搭載于無人機平臺，可實現高效的可視化水質采樣作業，該裝置具有操控簡單、靈活性高等優點，具有一定的實際應用價值。