摘要：隨著電子信息科學(xué)技術(shù)的研究的不斷深入，以及市場(chǎng)化推廣應(yīng)用，無(wú)人飛行器已經(jīng)在社會(huì)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)社會(huì)生產(chǎn)、生活中的實(shí)際需求，利用STM32芯片技術(shù)和多傳感器的應(yīng)用，使用機(jī)械臂控制方式，完成四旋翼飛行器——“飛行工兵”的搭建，并實(shí)現(xiàn)空中自動(dòng)捕獲功能。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；STM32；傳感器；自動(dòng)捕獲

1 課題的由來(lái)

在很多行業(yè)里，會(huì)有像維護(hù)變電站、檢修反應(yīng)堆這樣的空中危險(xiǎn)工作；還有在不少地區(qū)都存在著交通不便的情況，也有很多時(shí)候我們無(wú)法取下高處的東西；亦或需要快速把一些物品快速播撒在一片范圍很大的區(qū)域里……這時(shí)我們就需要一種靈活性很高的，自動(dòng)化程度很強(qiáng)的載具來(lái)完成這些事情。所以根據(jù)這個(gè)需求，就有必要做出這樣一種可以代替人工，在空中作業(yè)的工具；也就是自動(dòng)捕捉飛行器。

2 研究方案

首先，根據(jù)需求，我們選取四旋翼飛行器作為基礎(chǔ)平臺(tái)來(lái)構(gòu)建這一項(xiàng)目。四旋翼飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性好，飛行穩(wěn)定，技術(shù)成熟等特點(diǎn)；適合搭載多個(gè)外設(shè)模塊。但是，考慮到其需要實(shí)現(xiàn)抓捕，載重等功能，所以其自身重量必須嚴(yán)格限制在一個(gè)特定的范圍內(nèi)；也就是說(shuō)動(dòng)力冗余，必須在50%以上。否則將很難實(shí)現(xiàn)其除了能自主飛行以外的功能。機(jī)械臂使用了市面上通用的鋁合金金屬舵機(jī)組件搭建了三個(gè)自由度，這是權(quán)衡了重量和性能后得出的最終方案。

經(jīng)過(guò)推算，我們得出了自動(dòng)捕捉飛行器所需的各項(xiàng)指標(biāo)的具體參數(shù)。（請(qǐng)見(jiàn)下表）

（飛行器部分）飛行器以四個(gè)無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力輸出，通過(guò)30A（2s6s）無(wú)刷電調(diào)（無(wú)BEC輸出）與基于STM32F427單片機(jī)的飛控相連。GPS模塊連接于飛控。飛控的七個(gè)通道與PWM地面站接收機(jī)連接。

（自動(dòng)捕捉器部分）3個(gè)機(jī)械臂伺服舵機(jī)和機(jī)身下的六路舵機(jī)控制版；在抓捕器的尖端處安裝了超聲波與紅外模塊，收集數(shù)據(jù)并直接反饋給控制板。（動(dòng)作組編程時(shí)設(shè)定其正前方20～45cm的范圍內(nèi)可以自動(dòng)執(zhí)行）但同時(shí)也可直接由地面站進(jìn)行人為干預(yù)。（包括其中一號(hào)舵機(jī)與飛控有關(guān)聯(lián)，在飛行中保持前后俯仰的水平）整個(gè)系統(tǒng)由14.8V/4s/4200mah/25c 鋰電池供電（飛控，接收機(jī)有5v供電/降壓模塊）。

對(duì)角軸距400mm

材質(zhì)碳纖維 玻璃纖維 鋁合金 ABS

自重1.45kg

最大升力1350g/4=5400g（理論值）

單電續(xù)航時(shí)間25min20min

最大時(shí)速67km/h

最大抗風(fēng)力46級(jí)

可攜帶重量1kg

最大遙控距離1500m（可提升）

捕捉器力度15Kg/3

超聲波探測(cè)范圍0°～90°

最大傾尾舵角速度200°/s

最大飛行傾角45°

遙控頻道2.4G/5.8g

3 研究過(guò)程

組裝完成后我們進(jìn)行了多次試飛，其攜帶的重量超出預(yù)想，最大時(shí)可達(dá)1.6Kg（60%油門(mén)下）。但同時(shí)也暴露出了幾個(gè)缺點(diǎn)：對(duì)人的操縱水平要求很高、超聲波模塊和舵機(jī)組反應(yīng)遲鈍、著陸麻煩。改進(jìn)付出了辛苦的努力以及巨大代價(jià)（包括在飛行中的一次意外斷電墜機(jī)），最后終于改進(jìn)完成，總結(jié)了自動(dòng)捕捉飛行器在不同條件下、對(duì)不同目標(biāo)物體的捕獲和攜帶能力都是很優(yōu)秀的。（有自2016年7月6日至今的實(shí)驗(yàn)日志。）

4 研究報(bào)告及結(jié)果分析

實(shí)踐表明，這種飛行器可攜帶機(jī)械臂高空近距離作業(yè)，自動(dòng)性高，可以安裝更多不同組件（如電鋸）與環(huán)境的互動(dòng)性非常強(qiáng)。但四旋翼飛行器由于尺寸限制，無(wú)法攜帶需要的測(cè)試儀器在建筑物內(nèi)部近距離作業(yè)，對(duì)路徑規(guī)劃有很多限制。

所以自動(dòng)捕捉飛行器項(xiàng)目總體上性能尚可，部分功能仍需完善。

5 結(jié)構(gòu)圖

6 實(shí)物圖

最終完成時(shí)（7月2日攝）

作者簡(jiǎn)介：李子昂（2000），男，漢族，內(nèi)蒙古興安盟烏蘭浩特人，烏蘭浩特一中學(xué)生。