馬國梁，盧浩東，舒 強(qiáng)，雷國偉， 3

(1.集美大學(xué) 理學(xué)院，福建 廈門 361021；2.寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司，福建 寧德 352000；3.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，北京 100876)

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)外對(duì)四軸飛行器的研究，四軸飛行器已經(jīng)家喻戶曉。就農(nóng)用無人機(jī)而言，美國、日本和韓國均有所應(yīng)用，我國起步較晚，以使用無人機(jī)進(jìn)行滅蚊行動(dòng)為開始在農(nóng)業(yè)方面有所應(yīng)用[1]。在地測遙感方面，無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)比較高清圖像、數(shù)據(jù)的獲取和傳輸[2]。此外無人機(jī)在公共安全方面已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，反恐、邊防、消防和海事等領(lǐng)域很有應(yīng)用前景[3]。在國內(nèi)，小型無人機(jī)大部分現(xiàn)階段用于航拍活動(dòng)，以及被航模愛好者用于個(gè)別任務(wù)。在國外，美國發(fā)展小型無人機(jī)用于軍事裝備，加強(qiáng)軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力，并且在21世紀(jì)初的戰(zhàn)爭中大量使用無人機(jī)，以減免傷亡[4]。無人機(jī)具有可執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)、具有人類生理特點(diǎn)的任務(wù)，而且成本不高，可以完成的任務(wù)類型也多，不容易被發(fā)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[5]；同時(shí)也有生存率、可靠性等方面的缺點(diǎn)，由于無人機(jī)體型輕小，易受風(fēng)力影響，有學(xué)者提出了SFA飛行方法來降低事故[6]。

四旋翼無人機(jī)的研究，跨越多個(gè)學(xué)科，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中有十分重要的意義。對(duì)無人機(jī)的研究主要圍繞4個(gè)方面：① 如何設(shè)計(jì)動(dòng)力裝置及能源優(yōu)化，以提高其續(xù)航能力[7]；② 研制高性能的飛行控制器[8]，研究高效的飛行控制算法[9]，提高飛行過程中的穩(wěn)定性；③ 借助導(dǎo)航和各種傳感器，增強(qiáng)飛行的安全與避障功能[10]；④ 規(guī)?；?shí)用化研究。本文的主要工作就是研發(fā)一款四旋翼飛行器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)空投救援等功能。通過軟件調(diào)試、硬件設(shè)計(jì)，制作出一個(gè)較為輕便的有救援意義的四軸飛行器系統(tǒng)。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器的正常飛行和攜帶物資，還有助于各種災(zāi)后救援行動(dòng)，以及野外考察救援等。尤其對(duì)災(zāi)害系數(shù)高、狀況不明的環(huán)境更加靈活，減少傷亡。

1 飛行器結(jié)構(gòu)原理

與傳統(tǒng)飛行器相比，其結(jié)構(gòu)比較別致，是一個(gè)不管橫縱都是對(duì)稱的、按X字形呈90°依次排列的交叉結(jié)構(gòu)。飛行器在X字形尾端有4個(gè)電機(jī)和螺旋槳，通過平衡4個(gè)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳所產(chǎn)生的拉力實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸停和飛行等一系列動(dòng)作[11]。四軸飛行器有4個(gè)輸入力與多個(gè)傳感器，被單片機(jī)實(shí)時(shí)控制，能在短時(shí)間內(nèi)靜態(tài)飛行。

四軸X型結(jié)構(gòu)實(shí)際上是人們熟悉的笛卡爾坐標(biāo)系，如圖1所示，對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)上的X軸和Y軸。正如前面所講，四軸有4個(gè)螺旋槳，每個(gè)軸的終端有2個(gè)螺旋槳，旋轉(zhuǎn)方向相同，而相鄰的旋轉(zhuǎn)方向必須相反。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳叫反槳，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫正槳。

圖1 笛卡爾坐標(biāo)系

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)受力分析可知，同時(shí)增加四旋翼輸出功率，旋翼總的拉力增大，足以克服整機(jī)的重量時(shí)，無人機(jī)將會(huì)被拉力拉起，反之，則在重力作用下落地。而要使無人機(jī)進(jìn)入懸停狀態(tài)，只要控制漿的拉力和重力之間的平衡即可。在此過程中垂直起降的關(guān)鍵在于同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)4個(gè)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)上帶來的一個(gè)相反作用力將抵消，避免飛行器原地不停轉(zhuǎn)圈。

2 外設(shè)模塊

外設(shè)模塊主要由負(fù)責(zé)空投救援物資的空投模塊h和負(fù)責(zé)控制與導(dǎo)航作用的飛控模塊2部分組成。

2.1 空投模塊

2.1.1 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路：模塊能夠接收到人體信號(hào)，并處理信號(hào)，做出空投動(dòng)作。在這個(gè)過程中，考慮到無人機(jī)不易被發(fā)現(xiàn)，在空投時(shí)會(huì)伴隨警報(bào)，一則躲避重物，二則尋找機(jī)會(huì)空投。設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 空投模塊電路設(shè)計(jì)原理

空投模塊主要的組成部件包括：

① STC89C52單片機(jī)：自動(dòng)門的中心處理器，檢測紅外模塊信號(hào)發(fā)出相應(yīng)指令，指揮步進(jìn)電機(jī)、LED指示燈及蜂鳴器等工作；

② 熱釋電紅外模塊：負(fù)責(zé)探測外部紅外輻射，當(dāng)人進(jìn)入其輻射范圍時(shí)，就輸出高電平，由單片機(jī)接收；

③ 步進(jìn)電機(jī)：提供轉(zhuǎn)動(dòng)空投箱的主動(dòng)力，控制空投箱轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度；

④ LED指示燈：多種閃爍方式提示空投的工作狀態(tài)；

⑤ 蜂鳴器：進(jìn)行空投時(shí)伴隨響聲，起警示作用；

⑥ 2個(gè)外部按鈕：控制空投箱手動(dòng)投放或自動(dòng)投放。

根據(jù)圖2在PCB板繪圖軟件中繪制出電路圖如圖3所示。調(diào)整大小打印在熱轉(zhuǎn)印紙上，切割合適大小的銅板，將電路轉(zhuǎn)印到銅板上，通電腐蝕之后，用打孔機(jī)打孔。完成PCB板之后，焊接相應(yīng)器件，再將該器件與燒寫后的單片機(jī)相接，最后上電測試，觀察能否達(dá)到預(yù)期的效果。

2.1.2 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：工作功率小、不容易受干擾，而且很小很隱蔽，最重要的是便宜。熱釋電紅外傳感器的工作原理：當(dāng)有人在傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器傳出3.3 V的高電平，當(dāng)人離開傳感器范圍時(shí)，呈現(xiàn)低電平，以此來給處理器提供有人或者無人的信號(hào)[12-13]。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。熱釋電紅外傳感器對(duì)人體的輻射信號(hào)最為敏感。

圖3 空投模塊PCB電路

圖4 熱釋紅外線傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路

2.1.3 步進(jìn)電機(jī)

本模塊中，單片機(jī)輸出低電平有效，所以在接入步進(jìn)電機(jī)之前，還需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)—ULN2003[14]，步進(jìn)電機(jī)電路原理如圖5所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作原理：接收脈沖信號(hào)后，分配信號(hào)，放大功率，輸出給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)工作帶動(dòng)負(fù)載。在圖5中，可知步進(jìn)電機(jī)由四相電平控制，對(duì)四相的電平組合時(shí)序，就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

該步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，步進(jìn)角為7.5°，一圈360°，需要48個(gè)脈沖完成。電機(jī)有6根引線，排列次序如下：1：紅色、2：紅色、3：橙色、4：棕色、5：黃色、6：黑色。采用51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003的方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ULN2003的驅(qū)動(dòng)直接用單片機(jī)系統(tǒng)的5 V電壓，可能力矩不是很大，可自行加大驅(qū)動(dòng)電壓到12 V。

圖5 步進(jìn)電機(jī)電路原理

2.2 飛行控制模塊

2.2.1 飛控與安裝

目前，市面上可供使用的飛控器如表1所示。

設(shè)計(jì)中選用APM作為飛行控制器。APM由控制和導(dǎo)航2個(gè)PID級(jí)調(diào)控，即2級(jí)搭配解析信號(hào)，完成控制電機(jī)的功能[15]。震動(dòng)對(duì)于飛控影響較大，因此需要搭配減震板來減少震動(dòng)帶來的影響。APM板載的氣壓計(jì)對(duì)溫度敏感，所以氣壓計(jì)上覆蓋黑色海面遮光，也避免氣流對(duì)氣壓計(jì)的影響。信號(hào)接收模塊固定在飛控旁邊，連接APM輸入端作為接收遙控器信號(hào)的天線。電調(diào)焊接完成后連接線接入APM輸出端。固定完成后檢查牢固性。

表1 各種飛控對(duì)比結(jié)果

2.2.2 Mission Planner安裝與調(diào)試

APM飛控自駕儀通常是通過地面站Mission Planner來進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試、安裝固件等[16]。首先是固件的刷入，通常情況下已經(jīng)有基礎(chǔ)固件在內(nèi)。建議安裝中文版Mission Planner，打開地面站，連接開關(guān)在主頁的右上角。升級(jí)安裝固件有手動(dòng)模式和向?qū)Ｊ剑驅(qū)Ｊ綍?huì)一步一步指引安裝，在軟件中找到“安裝固件”，軟件會(huì)在連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，從網(wǎng)上下載最新的固件。選擇與自身無人機(jī)機(jī)型吻合的樣式下載，完成后連接，接下來的步驟自動(dòng)完成，等待即可。固件刷寫完成后就進(jìn)行調(diào)試，最主要的調(diào)試步驟是遙控器校準(zhǔn)的調(diào)試、加速度計(jì)校準(zhǔn)的調(diào)試以及羅盤校準(zhǔn)的調(diào)試。

3 系統(tǒng)集成與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 硬件

硬件系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：飛機(jī)機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)以及外設(shè)。電調(diào)板在機(jī)架中有很重要的地位，如果把機(jī)架比作骨干，那么電調(diào)就是血管。電調(diào)板的焊接如圖6所示。

圖6 電調(diào)焊接圖

首先，飛控搭載傳感器，配合減震板，用螺絲固定，調(diào)整線束固定。注意檢查穩(wěn)定性是否牢固。對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)，通俗地講就是電池和電機(jī)的匹配。電機(jī)一般采用無刷直流電機(jī)，選用4個(gè)適配的電調(diào)，以及選用能量高密的鋰電池比較適合。

然后，將外設(shè)中的GPS連接好線束，如圖7所示，底座用十字栓固定。GPS模塊對(duì)于APM而言是一個(gè)外置羅盤，可以輔助飛行器進(jìn)行定位。在羅盤校準(zhǔn)時(shí)也需要校準(zhǔn)外置羅盤。GPS在無人機(jī)上的作用體現(xiàn)在通過GPS返航。當(dāng)GPS連接好之后，GPS會(huì)搜索衛(wèi)星信號(hào)。定位下起飛點(diǎn)，選擇GPS返航，飛行器會(huì)升高，落回之前標(biāo)記的點(diǎn)。

圖7 GPS外設(shè)模塊

外設(shè)模塊的空投裝置由2個(gè)熱釋電紅外傳感器連接單片機(jī)，作為信號(hào)出入，步進(jìn)電機(jī)和LED燈連接單片機(jī)輸出端，步進(jìn)電機(jī)作空投箱，發(fā)光二極管作為指示燈。釋放空投的同時(shí)伴隨蜂鳴器響聲。

3.2 軟件

軟件系統(tǒng)由2部分構(gòu)成：空投模塊外設(shè)的51單片機(jī)編程以及APM飛控的調(diào)試，空投模塊程序主要了解步進(jìn)電機(jī)如何使用，對(duì)步進(jìn)電機(jī)4個(gè)輸入口編碼，可用0x80，0x40，0x20，0x10編碼，根據(jù)電機(jī)性能，這4個(gè)一次循環(huán)，則轉(zhuǎn)動(dòng)一周，反向運(yùn)行，則是對(duì)4個(gè)逆向再運(yùn)行一次。APM飛控的調(diào)試主要通過地面站調(diào)試。校準(zhǔn)遙控器、加速度計(jì)和羅盤等功能的調(diào)試完成后，即在軟件部分準(zhǔn)備完成。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 實(shí)驗(yàn)演示

無人機(jī)在空中平穩(wěn)飛行時(shí)的圖片如圖8所示，在空中觸發(fā)空投瞬間的圖片如圖9所示，圖中方框標(biāo)出的為空投箱，此時(shí)為空投發(fā)生瞬間捕捉的照片。

圖8 飛行工作圖

圖9 飛行投擲瞬間

3.3.2 空投效率

空投效率在本次實(shí)驗(yàn)中，定義為符合本次實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的空投釋放的成功率。感應(yīng)到人，釋放空投，即算作空投成功。同時(shí)在空投過程中，會(huì)伴隨警報(bào)。空投模塊主要依賴于熱釋電紅外傳感器的工作情況。對(duì)人的效果來說，人相對(duì)于傳感器的運(yùn)動(dòng)方向也有影響。若以傳感器為圓心，徑向移動(dòng)時(shí)最不敏感，垂直于傳感器運(yùn)動(dòng)最為敏感，這于飛行器實(shí)際情況相適應(yīng)。經(jīng)過多次模擬空投測試得出的空投適應(yīng)高度圖如圖10所示。

圖10 飛行器空投觸發(fā)率與人距離關(guān)系曲線

從圖10可知，當(dāng)前靈敏度的傳感器，對(duì)于空投有效范圍約在2～3 m，是最容易觸發(fā)空投的，4 m之外的人偶爾會(huì)觸發(fā)空投，在報(bào)警的輔助下，也能夠完成物資的投放。當(dāng)距離很短時(shí)，觸發(fā)空投的情況不穩(wěn)定，由于受感應(yīng)面過大，有時(shí)傳感器會(huì)認(rèn)為該信號(hào)不是正確信號(hào)。必須說明的是，設(shè)計(jì)中使用的傳感器受到本身品質(zhì)、調(diào)節(jié)的靈敏度以及安裝位置的影響，加上實(shí)驗(yàn)場地的光線等外部因素，圖10數(shù)據(jù)僅供參考。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)四旋翼無人飛行器的控制，使飛行器在空中可以實(shí)現(xiàn)垂直起降、懸停飛行、變向飛行以及GPS返航。在遇到人時(shí)，會(huì)自動(dòng)感應(yīng)并進(jìn)行空投任務(wù)，任務(wù)過程中伴隨警報(bào)以便提醒人群，任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后警報(bào)解除。該成果已用于地震等災(zāi)后救援，基本符合預(yù)期目標(biāo)。設(shè)計(jì)還有些需要改進(jìn)的地方，飛行器由2個(gè)系統(tǒng)組成，對(duì)飛機(jī)負(fù)擔(dān)較大，影響飛行的穩(wěn)定性，也無法實(shí)現(xiàn)大型空投運(yùn)輸。此外，飛行器受天氣影響較大，空投準(zhǔn)確率不夠穩(wěn)定。