馬承剛

學(xué)?？萍寂d趣小組成員在進(jìn)行航模項目訓(xùn)練時，經(jīng)常會出現(xiàn)小飛機(jī)模型掉到屋頂或河水中的情況，為了回收這些飛機(jī)模型，同學(xué)們往往費(fèi)盡周折，浪費(fèi)了很多訓(xùn)練時間。筆者于是想到設(shè)計一種方便可靠的救援飛行器來解決這個難題。目前四軸飛行控制技術(shù)已比較成熟，各種飛行控制模塊已實現(xiàn)商品化，為這款飛行器的制作提供了方便。

1.飛行控制

四軸飛行器由四個旋翼提供升力，為了抵消螺旋槳造成的扭矩，使用了兩個正槳、兩個反槳。飛行控制器（飛控板）通過改變四個無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速使機(jī)體傾斜一定的角度，從而產(chǎn)生水平分力推動飛行器平移，傾斜的角度越大，飛行的速度也越快。為了不讓螺旋槳遮擋前進(jìn)方向的攝像頭，本飛行器采用了X型的飛行模式（圖1）。

四軸飛行器的飛行系統(tǒng)與傳統(tǒng)航模遙控設(shè)備兼容。只需要4通道遙控器的接收機(jī)與飛控板相連便可控制四軸飛行器的飛行。若要實現(xiàn)更多功能，最多可接8通道的接收機(jī)（圖2）。

2.電子設(shè)備的選擇和搭配

目前四軸飛行器所使用的飛控板品牌很多。比較流行的四軸設(shè)備搭配是：四個好贏天行者20A電調(diào)、四個2212無刷電機(jī)、2200mAh鋰電池和8060正槳反槳各兩個。從理論上來說，高KV值和小槳更利于四軸的快速反應(yīng)。

3.四軸機(jī)架的制作

網(wǎng)上可以買到商品四軸機(jī)架，但全碳纖維的過于昂貴，全金屬的價格也很高且過于沉重，全木質(zhì)的又容易損壞，并且已有的設(shè)計都沒能對螺旋槳加以保護(hù)。所以筆者決定重新設(shè)計制作。設(shè)想是：成本要低；質(zhì)量要輕；螺旋槳在機(jī)架范圍內(nèi)，以免觸碰物體損壞；風(fēng)阻要?。坏撞靠臻g要大，有利于安放抓斗等模塊；有利于安裝無線圖像傳輸設(shè)備和攝像頭。

機(jī)架主梁使用6根長1米、直徑3毫米的實心碳纖維桿制作，用竹條將碳纖維桿中部按三角形方式撐起，在四周等距增加橫梁，再添加斜梁。所有桿與桿的接頭處都用線捆扎，要確保每根竹條都被捆扎數(shù)道，最后用502膠固定。以此類推向外延伸搭建（圖3）。

將四軸反放在平地上，轉(zhuǎn)動螺旋槳并測量槳尖的高度（圖4），調(diào)整四根竹條，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)面與地面平行，用502膠將電機(jī)座、竹條、碳纖維桿粘牢，并確保四個螺旋槳旋轉(zhuǎn)面在同一個平面上。

此機(jī)架尺寸雖大，但由于采用了輕質(zhì)碳纖維桿配合竹條搭建的穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，機(jī)架絲毫不會扭曲和變形。鏤空的機(jī)架降低了風(fēng)對飛行的影響，質(zhì)量還比普通的商品塑料機(jī)架輕了幾十克，成本也不足50元。四個螺旋槳全部位于機(jī)架內(nèi)部，在狹窄區(qū)域飛行時不會因為觸碰到物體而損壞（圖5）。

4.抓斗的設(shè)計制作

筆者借鑒工業(yè)抓斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計了一款抓斗和一款抓鉤，另外也可以吊掛磁鐵撿拾鐵質(zhì)物體。三維建模繪圖軟件使用的是Rhinoceros（犀牛），然后用激光雕刻機(jī)切割椴木層板制作了六爪抓斗，三爪抓鉤可用鋼絲焊接制作（圖6、圖7）。

圖8為繪制的抓斗圖紙。抓斗的動作控制通過標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)實現(xiàn)。可適當(dāng)延長舵機(jī)搖臂，以適應(yīng)抓斗的動作過程。飛行時張開抓斗，利用無線遙控技術(shù)飛到目標(biāo)物體上方（圖9），然后利用飛行器上的攝像頭進(jìn)行定位，最后準(zhǔn)確降落在目標(biāo)物體上，撥動通道開關(guān)將抓斗收縮，抓起物體并飛回操作者身邊。

5.超聲波測距定高

為了避免飛行器在水面搜尋飛行時觸水失事，可采用超聲波測距模塊幫助四軸飛行器定高飛行。超聲波模塊的探測距離為2～450厘米，精度可達(dá)到0.3厘米 。

超聲波傳感器固定于機(jī)架下方，需要正對著地面（圖10）。飛行器懸停時，油門在某一位置不動，則自動轉(zhuǎn)為高度鎖定狀態(tài)；當(dāng)油門搖桿移動時，則自動解除高度鎖定狀態(tài)。有了超聲波定高模塊，飛行器就可以大膽地懸停在水面上進(jìn)行救援活動，而不必?fù)?dān)心誤操作導(dǎo)致的飛行器入水事故了。

6.無線視頻傳輸

采用性價比較高的700毫瓦、1.2吉赫信號的無線圖像傳輸設(shè)備（圖11），可避免干擾2.4吉赫的遙控器。視頻發(fā)射距離在開闊地可達(dá)700～1500米。視頻信號接收器接收到視頻信號后通過USB接口的視頻采集卡向電腦傳送視頻。

7.無線視頻傳輸系統(tǒng)的連接

空中部分：四軸飛行器采用X型飛行方式，在前進(jìn)方向的兩個支架之間正好可以安放攝像頭，其視線范圍內(nèi)不會出現(xiàn)機(jī)架或螺旋槳的影像。與攝像頭對應(yīng)的另兩個支架間可安放視頻信號發(fā)射器。視頻拍攝與四軸飛行器共用動力電源（圖12）。

地面部分：通過視頻信號接收器接收到視頻信號，然后通過視頻采集卡的USB接口輸入到電腦中（圖13），這樣操作者就可以在地面觀察到飛行器視角的影像，為搜救、撿拾物品提供了參考，提高了準(zhǔn)確性。

8.進(jìn)一步完善的設(shè)想

下一步打算探索單片機(jī)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手精確抓取物體，并利用GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)超視距飛行和搜救功能，實現(xiàn)按預(yù)定航線搜索和完成任務(wù)自動返回的功能。此外，還將設(shè)法增加飛行器的續(xù)航時間以便搜尋更廣闊的空間。

9.應(yīng)用前景分析

本飛行器不光可以在日常航?；顒又袚焓暗袈湓谖蓓敽退娴男★w機(jī)模型，也可以用在野生動物園猛獸區(qū)這樣的危險地帶，撿拾游客不小心掉落的物品。還可以運(yùn)用在災(zāi)難救援方面，如利用它進(jìn)入泥石流或塌方地段進(jìn)行探測和搜救，到天坑或火山口進(jìn)行取樣等。飛行器通過所攜帶的攝像頭將圖像資料無線傳輸給監(jiān)控室，給安全地帶的現(xiàn)場決策者提供幫助。