周 超，劉長(zhǎng)華（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307）

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具有超視距巡航的四旋翼無人機(jī)研制

周 超，劉長(zhǎng)華
（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307）

本文以四旋翼作為飛行平臺(tái)，用arduino mege 2560 單片機(jī)，三軸陀螺儀MUP6000，三軸加速度儀MUP6000，高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS5611，三軸磁力計(jì)，高精度6M-GPS，3DR RADIO與無人機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)姿態(tài)的控制和地理坐標(biāo)的檢控。以APM無人機(jī)開源程序?yàn)榛A(chǔ)，修改程序代碼，依靠三軸陀螺儀和三軸加速度儀對(duì)無人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行修正，利用GPS和氣壓高度計(jì)的信號(hào)對(duì)無人機(jī)的航向、位置進(jìn)行修正，使無人機(jī)的飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。實(shí)際測(cè)試表明：該無人機(jī)具有一鍵返航、一鍵定高、預(yù)先設(shè)置航點(diǎn)飛行、地面站實(shí)時(shí)監(jiān)控和超視距巡航等功能，能夠用于航拍航測(cè)等領(lǐng)域。

無人機(jī)；四旋翼；APM；超視距；巡航

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。與傳統(tǒng)的無線電遙控飛機(jī)的區(qū)別，無人機(jī)能通過其內(nèi)部設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)自主飛行。由于無人機(jī)成本相對(duì)較低、無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等優(yōu)勢(shì)，除軍事用途外，在航拍航測(cè)、農(nóng)業(yè)植保、高壓巡線、油田管路檢查、交通管理、森林防火巡查、消防、毒氣勘察、緝毒和應(yīng)急救援、救護(hù)等民用領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。國(guó)內(nèi)無人機(jī)近幾年來發(fā)展比較快，特別是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)正在以極快的速度進(jìn)入人們的眼球。本文以開源飛控APM為基礎(chǔ)，通過修改程序代碼，設(shè)計(jì)制作一款具有預(yù)設(shè)航線、自動(dòng)起降、一鍵返航和超視距飛行的四旋翼無人機(jī)，搭載不同的任務(wù)載荷，能夠廣泛用于航拍航測(cè)、高壓巡線、交通監(jiān)管等領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1　四旋翼機(jī)架及電源

本文選用軸距700MM的中型四軸機(jī)架，空機(jī)架重量為600g，四根支撐桿采用的是16×14的3K斜紋碳桿，中心板為玻纖板。

四旋翼飛行時(shí)需要由旋翼提供升力克服無人機(jī)自身的重力進(jìn)行飛行，所以特別消耗能量，一般采用聚合物鋰電池（Lipolymer，又稱高分子鋰電池）進(jìn)行供電。相對(duì)以前的電池來說，鋰聚合物電池具有能量高、小型化、輕量化等特點(diǎn)，是一種化學(xué)性質(zhì)的電池。由于四旋翼的四個(gè)電機(jī)的功率較大，我們采用的C數(shù)較高的電池以保證電池能輸出足夠的電流確保飛機(jī)能正常飛行。要滿足這樣的條件，電池就會(huì)比較大同時(shí)也會(huì)比較重。本文選用格氏 6S 10000毫安鋰電池，它是電是由6塊電電芯串聯(lián)而成的電池，標(biāo)稱電壓22.2V，電壓很高。

2　飛控

飛控板相當(dāng)于無人機(jī)的大腦，控制無人機(jī)的一切運(yùn)動(dòng)。本文采用APM飛控板，它是國(guó)外的一個(gè)開源飛控系統(tǒng)，能夠支持固定翼，直升機(jī)，3軸，4軸，6軸飛行器。APM飛控板硬件構(gòu)成：飛控主芯片Atmega1280/2560，PPM解碼芯片Atmega168/328，雙軸陀螺、單軸陀螺、三軸加速度計(jì)等慣性測(cè)量單元，GPS模塊，三軸磁力計(jì)模塊HMC5843/5883，空壓計(jì)BMP085，ADS7844，電源芯片，usb電平轉(zhuǎn)換芯片等。

3　四旋翼動(dòng)力系統(tǒng)

四旋翼驅(qū)動(dòng)模塊包括：螺旋槳，電機(jī)，電調(diào)。

本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)需要執(zhí)行較遠(yuǎn)的航程和較大飛行高度，則必須具有一定抗風(fēng)性。因此在設(shè)計(jì)階段考慮較大的動(dòng)力冗余，最終選用大電機(jī)，配大的螺旋槳。

無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。這樣的電機(jī)會(huì)在實(shí)際使用時(shí)沒有電刷的損耗，電機(jī)更加耐用?；谏鲜鲈颍疚倪x用無刷電機(jī)。

電機(jī)與螺旋槳需要合理搭配才能達(dá)到設(shè)計(jì)的初衷，具體原理闡述如下：螺旋槳越大，升力就越大，但對(duì)應(yīng)需要更大的力量來驅(qū)動(dòng)；螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大；電機(jī)的kv越小，轉(zhuǎn)動(dòng)力量就越大。綜上所述，大螺旋槳就需要用低kv電機(jī)，小螺旋槳就需要高kv電機(jī)，因?yàn)樾枰棉D(zhuǎn)速來彌補(bǔ)升力不足。如果高kv帶大槳，力量不夠，就很困難，實(shí)際還是低俗運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)和電調(diào)很容易燒掉。如果低kv帶小槳，完全沒有問題，但升力不夠，可能造成無法起飛?；谏鲜隹紤]，本文選用kv400的朗宇4110s無刷電機(jī)，搭配DJI15寸槳。單軸最大輸出為2870g，四軸最大起飛重量11480g，飛機(jī)空載（飛行器+電池）重量2500g，在航拍領(lǐng)域，足以掛載微單相機(jī)。

電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮?，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姍C(jī)電流很大，通常每個(gè)電機(jī)正常工作時(shí)，平均有3a左右的電流，如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流，另外飛控板本身也沒有驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的功能。同時(shí)電調(diào)在四軸當(dāng)中還充當(dāng)了電壓變化器的作用，將22.2v的電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控器供電。結(jié)合電機(jī)和螺旋槳方案，本文選用好盈30A電調(diào)。

本文設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)如圖1所示。

圖1　四旋翼無人機(jī)

4　測(cè)試結(jié)果

4.1飛行穩(wěn)定測(cè)試

通過從三軸陀螺儀MUP6000采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得出無人機(jī)的姿態(tài)，并利用算法調(diào)整無人機(jī)姿態(tài)使其飛行平穩(wěn)。但由于每個(gè)旋翼槳自身的參數(shù)性能有所不同，因此需要通過調(diào)整PID來使飛機(jī)變得穩(wěn)定。如圖2為IMU采集的無人機(jī)X軸的加速度數(shù)據(jù)。可以看出無人機(jī)X軸的速度基本控制在5m/s范圍內(nèi)時(shí)，X軸的加速度很穩(wěn)定。從實(shí)際目測(cè)看，無人機(jī)的姿態(tài)非常穩(wěn)定，基本沒有較大的波動(dòng)，能夠穩(wěn)定飛行。

4.2飛行高度測(cè)試

本文采用BMP085氣壓高度計(jì)測(cè)量高度，在高度鎖定模式（ALT-HOLD）下測(cè)試。由于氣壓高度計(jì)易受環(huán)境影響，無人機(jī)周圍的氣流和溫度對(duì)氣壓高度的影響很大。測(cè)試中，無人機(jī)高度上下波動(dòng)較大，波動(dòng)在±40cm范圍內(nèi)。

實(shí)際使用中，如果在執(zhí)行航點(diǎn)飛行，無人機(jī)以一定速度巡航，飛控板可以使用GPS測(cè)得的高度進(jìn)行融合，同時(shí)利用慣性導(dǎo)航測(cè)得加速度參數(shù)進(jìn)行修正，能夠?qū)崿F(xiàn)高度基本穩(wěn)定。

4.3自動(dòng)駕駛飛行

自動(dòng)航點(diǎn)飛行測(cè)試如圖3所示，無人機(jī)會(huì)以預(yù)設(shè)的飛行速度，飛往我們?cè)O(shè)置的3D航點(diǎn)（航點(diǎn)信息包括經(jīng)緯度和高度），整個(gè)飛行過程十分流暢，沒有出現(xiàn)停滯情況，且高度控制比較精確。從地面站上看到，飛行軌跡基本與預(yù)設(shè)航線吻合，而且位置顯示比較準(zhǔn)確，在GPS收星良好的情況下，誤差在1-2m的范圍內(nèi)。

可能出現(xiàn)的問題：如果飛行速度過快，轉(zhuǎn)彎時(shí)傾角較大。在完成飛行任務(wù)時(shí)，到達(dá)最后一個(gè)航點(diǎn)后，無人機(jī)會(huì)急劇減速，造成較大的傾角，有炸雞隱患。以上問題，可以通過調(diào)慢飛機(jī)飛行速度來解決，目前測(cè)試中使用的5m/s不會(huì)造成較大傾角。

圖3　自動(dòng)航點(diǎn)飛行測(cè)試

5　結(jié)論

本文以四旋翼機(jī)架為飛行平臺(tái)，采用開源飛控APM，選用格氏 6S 10000毫安鋰電池、朗宇4110s無刷電機(jī)、搭配DJI15寸槳和好盈30A電調(diào)，制作出一款四旋翼無人機(jī)。飛行測(cè)試結(jié)果表明：該無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)返航、定高、預(yù)先設(shè)置航點(diǎn)飛行、地面

圖2無人機(jī)X軸加速度

站實(shí)時(shí)監(jiān)控和超視距巡航等功能，在航拍航測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 孫毅.無人機(jī)駕駛員航空知識(shí)手冊(cè).北京：中國(guó)民航出版社，2014

［2］ 張利國(guó)， 謝朝輝.電動(dòng)多旋翼無人機(jī)螺旋槳的性能計(jì)算與分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2016（1）：17-18.

［3］ 詹鐳， 賀人慶， 謝陽等.基于微型四旋翼無人機(jī)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.電子測(cè)量技術(shù)， 2011， 34（6）：1-3.

［4］ 鐘佳朋.四旋翼無人機(jī)的導(dǎo)航與控制［D］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］ 鄭偉光.四旋翼無人機(jī)飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春理工大學(xué)， 2010.

［6］ 李國(guó)棟， 宋自立， 吳華等.四旋翼無人機(jī)增穩(wěn)混合控制器設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013（5）：86-90.

周超（1980.9-），男，漢族，安徽省濉溪縣人，博士，副教授，研究方向：無人機(jī)、電磁環(huán)境效應(yīng)。

Development of four rotor UAV with over sight Cruise

Zhou Chao，Liu Changhua
（Civil aviation flight technology and flight safety research base of Civil Aviation Flight University Guanghan Sichuan，618307）

This paper on the quad rotor as a flying platform，Arduino mege 2560 microcontroller，three-axis gyroscope MUP6000， triaxial accelerometer MUP6000，high precision digital air pressure sensor ms5611 and three axis magnetometer and high precision 6M-GPS，3DR radio and no real-time human-computer communication，the realization of UAV attitude control and the geographical coordinates of the prosecution.APM UAV open source based，modify the program code，rely on three axis gyro and three axis accelerometer to correct the attitude of UAV，carries on the revision to the UAV heading and position using GPS and barometric altimeter signal，UAV flight attitude is more stable.The actual test results show： the UAV has a key to return，a key set high，set in advance Airlines flight，ground station real-time monitoring and oth cruise function，for aerial photography aerial and other fields.

UAV；four rotor；APM；over the horizon， cruise

民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地開放基金項(xiàng)目（F2014KF06，F(xiàn)2015KF02）資助。