羅男生 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 黃市生 曾志彬 吳國(guó)洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 羅鴻彬 東莞市朝茗機(jī)電科技有限公司

0 前言

四軸飛行器因其機(jī)動(dòng)性能好、輕便靈活，現(xiàn)在正被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，如偵查、橋梁檢測(cè)以及電力巡線等，然而當(dāng)飛行器遠(yuǎn)離人的視野時(shí)，如果飛行器不能自動(dòng)識(shí)別障礙物以及自動(dòng)避開障礙物，飛行器將會(huì)由于撞上障礙物而損害，由于飛行器價(jià)格并不低廉，因此在四軸飛行器上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障是很有必要的。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外大多研究者使用視覺(jué)避障系統(tǒng)，包括大疆四軸飛行器、Intel四軸飛行器，使用雙目視覺(jué)可以獲取前方一定范圍內(nèi)的三維深度信息，但是一個(gè)攝像頭只能檢測(cè)單個(gè)方向上的障礙物，當(dāng)其倒退飛行或側(cè)飛時(shí)，避障系統(tǒng)未能識(shí)別到障礙物，存在著很大的安全隱患；然而多個(gè)攝像頭的使用，又會(huì)使得成本大大提高，并且視覺(jué)避障的效果會(huì)受光照度影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出利用多個(gè)超聲波傳感器設(shè)計(jì)四軸飛行器的自動(dòng)避障系統(tǒng)，探測(cè)周圍的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)四軸飛行器多方位防撞的功能。超聲波傳感器的價(jià)格低廉，開發(fā)成本低 [2]，具有不受光線干擾、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在四軸飛行器前后左右四個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)良好的避障效果。

1 超聲波避障四軸飛行器的結(jié)構(gòu)

超聲波避障四軸飛行器整體設(shè)計(jì)為四旋翼樣式，具有前后左右四個(gè)正方向，機(jī)頭向北，四個(gè)正方向剛好與東南西北吻合，控制方便；機(jī)架的中心板（載板）呈正方形，便于對(duì)稱布置傳感器，整個(gè)四軸飛行器的重心基本與中心重合；旋翼的大小、電機(jī)的轉(zhuǎn)速共同影響四軸飛行器的升力，本設(shè)計(jì)選用R=125mm的旋翼，電機(jī)選用960KV（轉(zhuǎn)速=電壓×960 轉(zhuǎn)/分）；總設(shè)計(jì)尺寸385mm×385mm×310mm，主要零件及構(gòu)造如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 四軸飛行器的原理

分析四旋翼四軸飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)，在圖2中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，其中電機(jī)M1、M3為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；電機(jī)M2、M4為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)M1、M2所在的方向?yàn)闄C(jī)頭方向。當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。

圖2 垂直運(yùn)動(dòng)示意圖

分析四旋翼四軸飛行器的前后運(yùn)動(dòng)，要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，需要在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖2中，電機(jī)M1、M2所在的方向?yàn)闄C(jī)頭方向，增加電機(jī)M3、M4的轉(zhuǎn)速，使拉力增大，保持電機(jī)M1、M2轉(zhuǎn)速不變，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。

分析四旋翼四軸飛行器的左右運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)的原理與前后運(yùn)動(dòng)的原理相同，區(qū)別在于增大轉(zhuǎn)速的電機(jī)對(duì)象改變了。

3 自動(dòng)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)四軸飛行器搭載超聲波傳感器后可以較精準(zhǔn)地檢測(cè)四周障礙物與自動(dòng)避開障礙物，需要在機(jī)架的前后左右方向各安裝一個(gè)超聲波傳感器。飛行器左右的兩個(gè)超聲波傳感器對(duì)稱安裝，左右兩個(gè)超聲波傳感器相距約為117mm；飛行器前后的兩個(gè)超聲波傳感器也是對(duì)稱安裝，相距約為117mm。由于需要連接四個(gè)超聲波傳感器，也就需要8路數(shù)字輸入輸出口，因此選用擁有多路數(shù)字輸入輸出口的Arduino Mega2560單片機(jī)收集傳感器測(cè)距數(shù)據(jù)，大致樣式如圖3所示，再由串口與飛行控制器進(jìn)行通信，控制輸出不同的脈沖寬度，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變姿態(tài)方向飛行。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，需要對(duì)障礙物進(jìn)行距離測(cè)量，在飛行器前后左右四個(gè)方向上安裝超聲波傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)四個(gè)方向上障礙物的距離，當(dāng)超聲波傳感器的測(cè)距值小于程序中的預(yù)設(shè)值（50cm），即為檢測(cè)到障礙物，然后通過(guò)串口通訊方式向飛行控制器發(fā)送信號(hào)，飛行控制器判斷是哪個(gè)方向的傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，然后做出相對(duì)應(yīng)該方向的避障反應(yīng)，改變飛行姿態(tài)，改變飛行方向，從而實(shí)現(xiàn)避開障礙物的功能。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的軟件流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)避障的軟件流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)功能的要求對(duì)飛行器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，根據(jù)功能要求搭建了飛行器自動(dòng)避障系統(tǒng)。本文利用四個(gè)超聲波傳感器設(shè)計(jì)四軸飛行器的自動(dòng)避障系統(tǒng)，探測(cè)周圍的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)四軸飛行器多方位防撞的功能。