羅漢杰 倪 虹 施嘉濠 伍增渲

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

旋翼飛行器隸屬于無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)分支，也被稱為無(wú)人駕駛飛機(jī)(簡(jiǎn)稱UAV)。隨著中國(guó)制造2025和互聯(lián)網(wǎng)+，飛行器技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟。其中旋翼飛行器制作成本低，安全性能高，不僅應(yīng)用于軍事上的偵察機(jī)和無(wú)人靶機(jī)，還被應(yīng)用于民用方面。

在如今的市場(chǎng)上，傳統(tǒng)的多旋翼飛行器大部分采用固定槳距的螺旋槳，通過調(diào)整電機(jī)的PWM波控制螺旋的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生相互抵消的反槳扭矩來(lái)控制飛行器的各種姿態(tài)。其中的路空兩用無(wú)人機(jī)功能相比較而言更多，但傳統(tǒng)的路空兩用無(wú)人機(jī)大多數(shù)為簡(jiǎn)單的輪動(dòng)功能加上飛行功能，功能單一，并且變形之間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜難以適用于多種場(chǎng)合，只有簡(jiǎn)單的物流運(yùn)輸、空中拍攝、播種等。特別是面對(duì)地形復(fù)雜多變的環(huán)境中無(wú)法正常使用，不夠穩(wěn)定，局限性也大，不能應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

1 路空兩用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念總布局

一種具備爬樓功能的旋翼飛行器是基于arduino2560微型控制板，搭接樹莓派利用Opencv進(jìn)行圖像處理以及多種傳感器組合而成。該旋翼飛行器具備輪動(dòng)功能、爬樓功能和飛行功能。特點(diǎn)在于該旋翼飛行器輪動(dòng)過程具備全向輪功能，即輪動(dòng)方向360°全方位可調(diào)并且輪動(dòng)過程中具備2種狀態(tài)：一個(gè)是對(duì)稱的四輪平動(dòng)狀態(tài)。另一個(gè)是六輪爬樓狀態(tài)，并且該旋翼飛行器具備的爬樓功能，且爬樓過程中，6個(gè)車輪的間距可以根據(jù)樓梯高度及間距調(diào)整，可適應(yīng)不同類型樓梯同時(shí)旋翼飛行器的槳距長(zhǎng)度、槳距角度和螺旋槳位置均可360°無(wú)死角的調(diào)節(jié)，有利于通過槳距調(diào)節(jié)增強(qiáng)穩(wěn)定性，增加狹小涵道通過性和空曠地帶抗風(fēng)能力，同時(shí)該旋翼飛行器具備的折疊功能，具有便攜性并且結(jié)構(gòu)精煉，整體重量較小。

2 路空飛兩用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成

該路空兩用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)，包括機(jī)體、變形支臂、控制器和無(wú)線模塊。機(jī)體包括中心電機(jī)、機(jī)架、主齒輪、副齒輪和變向齒輪，主要功能是為飛行器提供驅(qū)動(dòng)力和路空的切換作用。變形支臂則是包括第一關(guān)節(jié)架、第二關(guān)節(jié)架、第一變形驅(qū)動(dòng)組件、第三關(guān)節(jié)架、第二變形驅(qū)動(dòng)組件、鎖止組件和行進(jìn)動(dòng)力組件，主要功能用與飛行器的各種模式切換作用，根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式的切換來(lái)到達(dá)使用要求。

3 路空兩用無(wú)人機(jī)的各種模式設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式

3.1 飛行模式的運(yùn)行方式

在飛行模式下如圖1，路空飛行器基本姿態(tài)為X模式：通過arduino2560的微控制板控制8個(gè)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到飛行器在飛行模式下的8種狀態(tài)，分別為垂直上升狀態(tài)、垂直下降狀態(tài)、向前狀態(tài)、向后狀態(tài)、向左狀態(tài)、向右狀態(tài)、順時(shí)針改航向狀態(tài)、順時(shí)針改航向狀態(tài)。如圖2為8種狀態(tài)的運(yùn)行方法：當(dāng)旋翼飛行器穩(wěn)定后，A、B、C、D 4個(gè)電機(jī)同時(shí)加速時(shí)為垂直上升狀態(tài)，同時(shí)減速時(shí)為垂直下降狀態(tài)；當(dāng)A、B減速，C、D加速則為向前狀態(tài)；當(dāng)A、B加速，C、D減速則為向后狀態(tài)；當(dāng)A、D減速，B、C加速則為向左狀態(tài)；當(dāng)A、D加速，B、C減速則為向右狀態(tài)；當(dāng)A、C減速，B、D加速則為順時(shí)針改航向狀態(tài)；當(dāng)A、C加速，B、D減速則為順時(shí)針改航向狀態(tài)；優(yōu)點(diǎn)在于利用8個(gè)動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)得到更大的升力，更加容易使得飛行器起飛，達(dá)到飛行模式的8種狀態(tài)。并且通過Opencv所傳輸?shù)男畔⑻幚碜冃螢槠渌Ｊ?。如?dāng)路空兩用的旋翼飛行器在空中需要穿過一個(gè)通道(例如樹枝與樹枝之間的間隙)時(shí)，陸空兩用的旋翼飛行器進(jìn)行飛行折疊，(折疊模式如圖3)，以避免在穿過時(shí)發(fā)生碰撞。

圖1 飛行模式

圖2 8種狀態(tài)的運(yùn)行方法

圖3 折疊模式

3.2 行走模式的運(yùn)行發(fā)送

當(dāng)飛行模式通過Opencv所發(fā)出的信號(hào)，需變形為行走模式時(shí)，如圖4所示，通過中心電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)變形支臂同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并且向下翻轉(zhuǎn)，使得兩用螺旋槳處于垂直于行進(jìn)方向。此時(shí)8個(gè)兩用螺旋槳均與地面接觸，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)即可驅(qū)動(dòng)機(jī)架在地面上行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)路空兩用的功能。并且可通過PWM對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，來(lái)控制行走模式時(shí)飛行器的速度，可適應(yīng)于更多的場(chǎng)合下。

3.3 爬樓模式

當(dāng)行走模式時(shí)面對(duì)地形復(fù)雜多變的環(huán)境中無(wú)法正常使用，通過Opencv發(fā)出的數(shù)據(jù)，變形為爬樓模式，如圖5所示，前變形支臂分為2根支架各自成θ角，60°≤θ≤90°，使得兩支臂上均形成能夠自由擺動(dòng)的V形輪架。后變形支臂的2根一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得左后支臂及右后支臂內(nèi)的第三支架與豎直方向呈0.5θ角；此時(shí)該地空兩用的旋翼飛行器呈現(xiàn)六輪狀態(tài)，且位于前左右2組車輪分別位于2個(gè)能夠自由擺動(dòng)的V形支架上；當(dāng)V形支架上的一個(gè)車輪抵住臺(tái)階并轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將沿臺(tái)階向上滾動(dòng)(向上滾動(dòng)的過程中V形支架發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng))。因此，爬樓模式的地空兩用的旋翼飛行器能夠沿著臺(tái)階向上行駛，適應(yīng)于各種地形復(fù)雜多變的環(huán)境。

圖4 行走模式

圖5 爬樓模式

4 路空兩用無(wú)人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

路空兩用無(wú)人機(jī)可通過變形驅(qū)動(dòng)組達(dá)到各種模式的變形。該旋翼飛行器的控制主要在幾種的模式變形中，通過Opencv傳輸?shù)男盘?hào)，面對(duì)各種不同的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)飛行器不同的功能變換。其該旋翼飛行器控制包括飛行模式、行走模式、爬樓模式之間變形。所需硬件如圖6。

圖6 硬件框架

4.1 飛行控制模塊

路空兩用無(wú)人機(jī)的飛行控制模塊選用APM飛控，該飛控模塊為兩級(jí)PID控制，其中一級(jí)為導(dǎo)航，另一級(jí)為控制。APM飛控是由微型處理器以及傳感器組合而成。當(dāng)處于飛行模式時(shí)，遇到突發(fā)情況，外界干擾等一些原因?qū)е聝捎蔑w行器處于不平衡狀態(tài)時(shí)，飛行器是無(wú)法飛行的，這是APM飛控微處理器通過各傳感器實(shí)時(shí)發(fā)出的信號(hào)，進(jìn)行采集，運(yùn)算，采用慣導(dǎo)算法計(jì)算出姿態(tài)角，通過PID計(jì)算，發(fā)出PWM信號(hào)，控制各無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，到達(dá)飛行模式的8種狀態(tài)。圖7為APM飛控原理圖。

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

兩用無(wú)人機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用的是ZD-M1A步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器(如圖8)，工作原理在時(shí)序通電時(shí)，通過脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及加速度，收到一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角位移，通過脈沖個(gè)數(shù)及頻率控制。當(dāng)Opencv發(fā)出信號(hào)，通過APM飛控計(jì)算出的姿態(tài)角度，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成不同的模式以及相應(yīng)的功能。該驅(qū)動(dòng)器不需外部設(shè)備加以供電，重量輕，方便使用。ZD-M1A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接線圖如圖9。

圖7 飛控原理圖

圖8 ZD-MIA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖9 ZD-MIA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖

4.3 通信系統(tǒng)

路空兩用無(wú)人機(jī)在通信方面主要在于arduino 2560與樹莓派Raspberry Pi 3B+之間的通信，通過Opencv進(jìn)行圖像識(shí)別判斷無(wú)人機(jī)的行進(jìn)模式，通過Opencv發(fā)出的通信信號(hào)(波特率一般為9600)，等待主控板arduino 2560進(jìn)行接收，接收到的信號(hào)通過PWM信號(hào)來(lái)控制各電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)相應(yīng)模式、相應(yīng)狀態(tài)和相應(yīng)功能。

5 路空兩用無(wú)人機(jī)的展望

一種具有爬樓功能路空兩用無(wú)人機(jī)以arduino2560微型控制板為主控制板，通過與樹莓派進(jìn)行通信，利用Opencv進(jìn)行圖像識(shí)別發(fā)出信號(hào)控制各模塊變形各種模式。其最大的特點(diǎn)是爬樓功能，可在復(fù)雜多變的地形上應(yīng)用，無(wú)論是凹坑還是凸起都可實(shí)現(xiàn)陸地變形功能，并且在遇到樓梯時(shí)，四輪切換為六輪爬樓姿態(tài)，并且具有全向輪的功能360°無(wú)死角的爬樓，無(wú)需過多的角度控制即可爬樓，易控制，有利于通過槳距調(diào)節(jié)增強(qiáng)穩(wěn)定性，也可以根據(jù)樓梯的高度進(jìn)行變換，兩變形支臂可切換相應(yīng)的角度θ，目前可轉(zhuǎn)動(dòng)的角度只能在60°≤θ≤90°，只能針對(duì)社區(qū)居民樓的樓梯高度進(jìn)行切換，還未實(shí)現(xiàn)對(duì)于所有樓梯的爬樓功能，缺少對(duì)變形支臂的長(zhǎng)度無(wú)法根據(jù)不同的樓梯高度切換，需往后通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)來(lái)完善爬樓功能。