王志港 郝傳柱

摘 ?要：結合無人機保護裝置設計需求，本文針對多旋翼無人機完成了基于陀螺儀的無人機保護裝置設計，并從裝置總體設計思路、結構組成設計、整體性能和應用優(yōu)勢四個方面展開了詳細分析，指出裝置能夠利用萬向支架、球形外殼實現(xiàn)陀螺儀功能模擬，在無人機中心軸上安裝內(nèi)、外環(huán)架形成由兩個平衡環(huán)構成的保護球，通過360°旋轉為內(nèi)置無人機提供全方位保護。

關鍵詞：陀螺儀;無人機;保護裝置

中圖分類號：V279;V241.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0170-02

Abstract：Combined with the design requirements of UAV protection devices，this paper completed the design of gyroscope-based UAV protection device for multi-rotor UAV，and the detailed analysis was carried out from the overall design ideas，structural composition design，overall performance and application advantages of the device，indicating that the device can realize the gyroscope function simulation by using the gimbal and the spherical shell. The inner and outer ring frames are installed on the central axis of the drone to form a protective ball composed of two balance rings，all-round protection for built-in UAV is provided by 360 degree rotation.

Keywords：gyroscope;UAV;protection device

0 ?引 ?言

作為集航電、控制等技術為一體的高性能設備，無人機在偵查、軍事等領域得到了廣泛應用。所以，不僅要保證無人機能順利完成各種復雜任務，還要保證其能夠穩(wěn)定飛行，在危險環(huán)境中避免無人機因碰撞發(fā)生損壞。而目前在無人機保護方面，在無人機保護裝置設計中實現(xiàn)陀螺儀結構模擬能夠確保無人機真正實現(xiàn)自主穩(wěn)定飛行。因此，還應加強基于陀螺儀的無人機保護裝置設計，以便為無人機提供全方位保護。

1 ?無人機保護裝置設計需求

多旋翼無人飛行器擁有簡單的機械結構，并且成本相對較低，然而由于飛行期間難以實現(xiàn)穩(wěn)定控制，容易出現(xiàn)側翻墜機問題，需要配備自動控制器和導航系統(tǒng)，加強飛行姿態(tài)控制。而導航系統(tǒng)多重達數(shù)十斤，并且體積較大，在小型飛行器上并不適用。直至MEMS技術取得了發(fā)展，導航系統(tǒng)才實現(xiàn)了輕量化，促使多旋翼無人機得了廣泛的應用。但就目前來看，未來多旋翼無人機將與更多無人機一同在復雜環(huán)境下執(zhí)行任務，通過使用無線電技術完成GPS定位、遙控和圖像傳輸?shù)炔僮鳎谶@一過程中容易發(fā)生信號干擾，導致無人機因無法獲得精確坐標位置數(shù)據(jù)而失控，不僅會引發(fā)作業(yè)失敗，還可能發(fā)生炸機，繼而帶來較大損失[1]。因此，要完成無人機保護裝置設計，加強對無人機的全方位保護。

2 ?基于陀螺儀的無人機保護裝置設計分析

2.1 ?總體設計思路

在無人機航電系統(tǒng)中，陀螺儀為重要組成部分，其能否充分發(fā)揮作用關系到無人機能否安全完成任務。在設計無人機保護裝置時，可以對陀螺儀結構功能進行模擬，達到對無人機實現(xiàn)自動控制和保護的目的。

從總體設計來看，基于陀螺儀的無人機保護裝置由三個主要部分構成，即飛行器、萬向支架架構和球形防護結構外殼。其中，飛行器位于結構最內(nèi)側，為四旋翼無人機，利用四個馬達提供動力，為飛行器飛行提供方向控制動力。萬向支架結構嵌套在球形防護結構內(nèi)部，包含一個軸承和一個圓環(huán)，利用圓環(huán)對軸承進行支撐，同時與球形外殼連接。在結構設計時，需要使飛行器重心與支架結構、球形防護外殼重心重合，促使防護結構配合支架結構360°旋轉，達到為飛行器提供全方位緩沖保護的目的。保護裝置結構設計圖，如圖1所示。

2.2 ?結構組成設計

從結構特點上來看，保護外殼與三軸陀螺儀類似，通過在無人機中心軸上進行內(nèi)環(huán)架的安裝，然后在內(nèi)環(huán)架外進行外環(huán)架的安裝，能夠形成由兩個平衡環(huán)構成的保護球，在飛行器運行的過程中環(huán)繞飛行器三軸進行自由運動[2]。在外環(huán)架上進行球形外殼的加套，能夠形成完整保護球。利用球形保護結構外殼，如圖2所示，能夠為無人機和傳感器提供可靠、穩(wěn)定的保護。從整體來看，保護裝置整體類似于地球經(jīng)緯網(wǎng)結構，內(nèi)部兩個圓環(huán)相當于相互垂直的兩個轉軸，能夠使外殼保持靈活運動，達到360°自由旋轉的目標，繼而為內(nèi)部結構提供全方位保護。而球形外殼為鏤空狀殼體，通過在任意三邊交點完成軸承設置，并在對角位置進行軸承設置，能夠利用兩個軸承加強外殼與外圓環(huán)軸承孔的連接。在外圓環(huán)內(nèi)側，完成兩個短軸承的設置，然后分別與內(nèi)圓環(huán)的兩個軸承孔連接。在內(nèi)圓環(huán)內(nèi)，利用中空碳纖維管與內(nèi)置的無人機重心連接在一起。因此采用軸承，將嵌套的兩個圓環(huán)分別與無人機球形外殼結構連接在一起，能夠構成一個整體，保證兩圓環(huán)和保護球重心與無人機重心重合。采用鏤空結構，目的在于避免無人機保護外殼給內(nèi)部攝像頭視野帶來遮擋。在實際制作過程中，還要選用玻璃纖維桿等材料進行外殼結構制作，以便使外殼強度得到保證的同時，降低制作成本，使保護裝置設計更具實用性。在連接桿設計上，同樣需要采用輕量化和強度大的材料，以便使結構具有足夠韌性，避免在發(fā)生碰撞后損壞，這樣才能使結構保持穩(wěn)定性能，為無人機提供全方位保護。

2.3 ?裝置性能分析

從整體性能上來看，飛行器將達到1.5km遙測距離，穩(wěn)定性達到優(yōu)秀水平，載重量為0.5kg，續(xù)航時間能夠達到15min，飛行高度為500m，飛行速度為35km/h。在整套裝置中，飛行器為已經(jīng)調試好具備自穩(wěn)功能的四旋翼無人機，能夠實現(xiàn)動力輸出，相當于陀螺儀的轉子。無人機機身本身體積較小，具有輕量化和高強度的特點，能夠滿足裝置設計要求。利用飛行器配備的環(huán)境探測傳感器，能夠對周圍環(huán)境信息進行收集。如圖3所示，為模擬得到的基于陀螺儀的無人機保護裝置。實際四旋翼無人機需要利用四個電機轉速進行無人機姿態(tài)控制，采用探測器進行無人機飛行姿態(tài)角度采集，然后當成是控制反饋，可以結合姿態(tài)數(shù)據(jù)和飛行環(huán)境信息完成飛行模式自主選擇，實現(xiàn)無人機的自主控制[3]。借助保護球，無人機可以沿著障礙物作業(yè)，在狹小空間內(nèi)穿行，完成空間拍攝，并將信息實時傳回至地面，因此能夠避免因螺旋槳碰撞障礙物導致無人機失去動力并墜落。在多地形探索中，在保護性碳纖維籠中進行旋轉攝像機支架和高清攝像機的安裝，能夠實施遠程監(jiān)控。將結構精密裝置都設置在保護球中，即便無人機發(fā)生碰撞反彈，整個裝置沿著不平地面滾動，依然能夠保證內(nèi)部設備穩(wěn)定性，不會給設備帶來損傷，所以可以使無人機野外探索能力得到進一步提高。

2.4 ?裝置應用優(yōu)勢

結合上述設計可知，采用基于陀螺儀的無人機保護裝置，能夠使無人機的探索能力得到明顯提高，從而為無人機執(zhí)行各種復雜任務提供便利，降低無人機事故發(fā)生率，減少無人機作業(yè)帶來的人力、物力等損失。從裝置應用優(yōu)勢上來看，設計出的無人機可以在復雜、狹小的空間環(huán)境中安全飛行，在面對危險時通過近距離操縱無人機能夠順利應對多樣性挑戰(zhàn)，比如在山洞、雪窟等危險環(huán)境探測工作中，就可以采用帶有保護裝置的無人機進行信息探測與數(shù)據(jù)采樣。在鐵路、道路等施工作業(yè)監(jiān)控探測與營救任務開展等方面，由于飛行器擁有較強飛行能力，因此可以得到應用。從材料價格上來看，為無人機配備的球形外殼采用玻璃纖維桿和3D打印連接件制成，具有價格低廉的特點，能夠為裝置安裝和拆卸提供便利，使無人機具有方便攜帶的作業(yè)優(yōu)勢，使無人機的轉子在球形碳纖維籠中懸浮并且不會給近距離操縱的人員帶來傷害。因此從總體來看，設計出的基于陀螺儀的無人機保護裝置具備廉價、快捷和安全的優(yōu)勢。

3 ?結 ?論

綜上所述，在無人機飛行空間日漸復雜的背景下，還要加強保護裝置設計，以便使無人機能夠安全完成飛行任務，避免帶來過多人力、物力損失。設計基于陀螺儀的無人機保護裝置，可以通過內(nèi)置無人機和外連萬向支架實現(xiàn)球形鏤空外殼的嵌套，形成的保護球能夠圍繞無人機進行360°旋轉，為內(nèi)部結構提供全方位保護，促使無人機野外探索能力得到提高，能夠在各種狹小空間中得到適用。因此設計該保護裝置，未來在無人機探測領域將獲得較好應用前景。

參考文獻：

[1] 戴文瑞，王建華.無人機垂直陀螺儀及其鏈路健康狀態(tài)評估研究 [J].重慶理工大學學報（自然科學），2017，31（9）：138-144.

[2] 馬正華，陳杰，陳嵐萍，等.四旋翼無人機陀螺儀實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定性控制 [J].計算機仿真，2016，33（10）：32-38.

[3] 黃超，殷萬君，徐斌，等.nin無人機保護傘電路控制系統(tǒng) [J].電子世界，2016（15）：86+88.

作者簡介：王志港（1997.06-），男，漢族，山東泰安人，本科，研究方向：自動化;郝傳柱（1983.04-），男，漢族，山東聊城人，講師，工程師，本科，研究方向：自動化、控制工程。