史晨健

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

多旋翼飛行器具有體積小、輕便、易隱藏等特點(diǎn),可以在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行監(jiān)視、偵察等任務(wù),具有廣闊的軍事和民用前景,在航拍、救滅、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[1-2]。與此同時(shí), 它還是火星探測(cè)無人飛行器的重要研究方向之一,另外其優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性、操作簡(jiǎn)單、成本相對(duì)低廉,更是成為各大科研機(jī)構(gòu)所青睞。

然而,旋翼飛行器在高空飛行時(shí)容易受到大風(fēng)的干擾,容易抖動(dòng),從而導(dǎo)致飛行器不穩(wěn)定[3]。故本文以四旋翼飛行器為研究對(duì)象,對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),將每個(gè)旋翼與機(jī)身連接部分設(shè)計(jì)新的防風(fēng)緩沖裝置,同時(shí)與電子防風(fēng)擾系統(tǒng)相結(jié)合,極大地提高了飛行器飛行時(shí)的穩(wěn)定性,增強(qiáng)了飛行器的防風(fēng)防干擾性能。

四旋翼飛行器只能在廣闊的空間內(nèi)長(zhǎng)距離移動(dòng), 但無法實(shí)現(xiàn)狹隘的多障礙空間內(nèi)短距離移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)飛行器的短距離移動(dòng),故在飛行器的下機(jī)身增加了可移動(dòng)的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)。其中機(jī)械控制結(jié)構(gòu)一般采取的方式有輪式、履帶式[4],但是輪式和履帶式機(jī)械結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)惡劣地形, 本文設(shè)計(jì)一種多足機(jī)械結(jié)構(gòu)有多個(gè)可以自由移動(dòng)的腿,每個(gè)腿部具有兩個(gè)自由度,可以通過調(diào)節(jié)腿部的伸縮程度來適應(yīng)不同情況的地面[5]。

1 飛行器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶防風(fēng)減震的四旋翼飛行器總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 飛行器總體結(jié)構(gòu)

圖中四旋翼飛行器, 通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)升力的變化,從而控制飛行器的姿態(tài)和位置;四旋翼的電機(jī)朝上安裝方式,降低了旋翼降落階段螺旋槳觸底的可能性;機(jī)身板上裝載飛行控制板,包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤、氣壓計(jì)等;機(jī)臂上裝有自適應(yīng)防風(fēng)減震系統(tǒng);下機(jī)身機(jī)構(gòu)模仿蜘蛛等六足爬行動(dòng)物,設(shè)計(jì)出六足機(jī)器人的二自由度腿機(jī)構(gòu),同時(shí)充當(dāng)起落架。

2 自適應(yīng)防風(fēng)減震系統(tǒng)

2.1 減震器設(shè)計(jì)

自適應(yīng)防風(fēng)減震器是由汽車減震支架獲取的靈感,與之類似的結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于汽車中,該結(jié)構(gòu)對(duì)汽車的減振效果良好,相關(guān)理論及設(shè)計(jì)已成熟。為保證無人機(jī)能抵抗風(fēng)力干擾,參考類似結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)無人機(jī)防風(fēng)減振系統(tǒng)如圖2,由彈簧上支座1、下支座3、夾持彈簧2。安裝套卡緊阻尼減振器8,與連接叉5 固連。連接叉5 連接擺臂7 與旋翼臂6 組成。微型阻尼減振器與減振彈簧同軸心,當(dāng)突然有風(fēng)力加載對(duì)旋翼臂6 作用時(shí),旋翼臂6 與連接叉5 會(huì)發(fā)生平面移動(dòng), 將平面移動(dòng)分解為兩個(gè)相互垂直的方向的移動(dòng), 將兩個(gè)移動(dòng)利用微型阻尼減振器8 與減振彈簧2 削弱,使機(jī)身不會(huì)發(fā)生劇烈和瞬時(shí)的方向變化, 對(duì)飛機(jī)的航姿影響最小。其中擺臂7 會(huì)隨著連接叉5 的平面移動(dòng)而擺動(dòng),擺臂7 的使用一是作為旋翼臂6 的延伸,增加整個(gè)機(jī)體的強(qiáng)度。二是限制連接叉5 垂直方向的運(yùn)動(dòng),防止旋翼沿垂直方向跳動(dòng),影響飛機(jī)性能。當(dāng)風(fēng)吹向旋翼臂6 一側(cè),擺臂7 與連接叉5 發(fā)生平面移動(dòng),擺臂7 擺動(dòng)。這樣,連接叉5 一端前進(jìn),一端后退,一組減振系統(tǒng)中的兩個(gè)減振彈簧一個(gè)受拉一個(gè)受壓。為保證四個(gè)旋翼在受到風(fēng)力干擾時(shí),整機(jī)的航姿不受影響,整機(jī)共安裝四個(gè)彼此獨(dú)立的減振系統(tǒng)。

圖2 無人機(jī)減震器

減振彈簧是常用的彈性元件, 廣泛應(yīng)用于各種振動(dòng)設(shè)備,具有穩(wěn)定性好,噪音低,隔振效果好,使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)力加載時(shí),減振彈簧會(huì)不斷振動(dòng),這會(huì)引起整體機(jī)身的不斷振動(dòng),這對(duì)于飛行中的飛機(jī)無法接受的。因此,需要在減振彈簧運(yùn)動(dòng)的過程中增加一定量的阻力,使減振彈簧的振動(dòng)迅速衰減。采用微型阻尼減振器就能實(shí)現(xiàn)快速衰減彈簧振動(dòng)的目的, 阻尼力會(huì)將機(jī)身因風(fēng)擾產(chǎn)生的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能, 通過微型阻尼減振器的外殼耗散到大氣中去。微型阻尼減振器體積小,但其力度大、耗材少、成本低,非常適合在無人機(jī)上安裝使用。阻尼減振器的阻尼力越大,振動(dòng)消除得越快,但過大的阻尼力會(huì)導(dǎo)致與其并聯(lián)的減振彈簧的作用不能充分發(fā)揮,甚至導(dǎo)致機(jī)體零件損壞。阻尼減振器要與減振彈簧匹配, 這就對(duì)所使用的阻尼減振器提出了更高的要求。在減振彈簧壓縮行程內(nèi),阻尼減振器的阻尼力應(yīng)較小,使減振彈簧的作用充分發(fā)揮,充分利用減振彈簧的彈性來消除沖擊。在減振彈簧伸張行程內(nèi),阻尼減振器的阻尼力應(yīng)較大,抑制彈簧的振動(dòng),迅速減振。當(dāng)旋翼臂相對(duì)于機(jī)身發(fā)生較大的運(yùn)動(dòng),兩者的相對(duì)速度過大時(shí), 阻尼減振器產(chǎn)生的阻尼力要始終保持在一定的范圍內(nèi), 避免因承受過大的沖擊載荷而導(dǎo)致?lián)p壞、功能失效。

2.2 電子防風(fēng)擾系統(tǒng)

當(dāng)風(fēng)力范圍超過自適應(yīng)防風(fēng)減震系統(tǒng)作用范圍時(shí), 采用電子防風(fēng)擾系統(tǒng)。電子防風(fēng)擾任務(wù)依靠飛行器底部吊艙中安裝的風(fēng)擾動(dòng)檢測(cè)裝置、傾角傳感器、風(fēng)向檢測(cè)裝置以及電機(jī)功率控制器完成。

風(fēng)擾動(dòng)檢測(cè)裝置是用于檢測(cè)無人機(jī)是否受到風(fēng)擾動(dòng)的風(fēng)擾,其中包含了成對(duì)的超聲波傳感器,其中每對(duì)包括一個(gè)超聲波發(fā)射器,另一個(gè)接收超聲波的接收器,超聲波接收器中有超聲流量計(jì)計(jì)算超聲波流量[6]。每當(dāng)超聲波流發(fā)射后,若受到風(fēng)力干擾,則超生波受到干擾, 則到達(dá)超聲波接收器的超聲波會(huì)因?yàn)轱L(fēng)擾而流量減小。故可根據(jù)超聲波流量是否超過預(yù)設(shè)標(biāo)定值范圍來判斷是否存在風(fēng)擾。

傾角感應(yīng)裝置主要用于測(cè)量無人機(jī)機(jī)身與地面的傾角。傾角感應(yīng)裝置包括傾角傳感器, 無人機(jī)姿態(tài)傳感器等主要組成部分。姿態(tài)傳感器是基于MEMS 技術(shù)的高性能三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng),包含二軸陀螺儀、三軸加速度器、三軸電子羅盤等運(yùn)動(dòng)傳感器,通過內(nèi)嵌的低功耗ARM處理器得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的三維姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù), 利用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù),實(shí)時(shí)輸出以四元數(shù)、歐拉角表示的零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器將采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、濾波、計(jì)算,并結(jié)合傾角傳感器數(shù)據(jù)融合后得出無人機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài), 是否因?yàn)轱L(fēng)擾而導(dǎo)致機(jī)身不平穩(wěn)。

風(fēng)向檢測(cè)裝置用于根據(jù)風(fēng)擾動(dòng)檢測(cè)結(jié)果以及所述傾角判斷風(fēng)向的風(fēng)向檢測(cè)裝置;確定風(fēng)向?yàn)樽罱?稍遠(yuǎn)端和最遠(yuǎn)端等,并將數(shù)據(jù)調(diào)理信號(hào)輸送至控制器。電機(jī)功率控制器將風(fēng)向檢測(cè)傳感器調(diào)理信號(hào)和三維姿態(tài)數(shù)據(jù)整合調(diào)節(jié)為旋翼電機(jī)的功率強(qiáng)度,所述風(fēng)擾作用力值和電機(jī)功率成正比。如迎風(fēng)最近端的旋翼受到的風(fēng)擾作用力最大,為保證無人機(jī)保持平衡,需要調(diào)節(jié)此電機(jī)功率為最大變化量,以此來抵消風(fēng)擾作用力的影響,達(dá)到平行于地面飛行。同理,其余旋翼控制電機(jī)根據(jù)風(fēng)向檢測(cè)裝置分別通過控制器改變相應(yīng)功率。

電機(jī)功率控制器連接無人機(jī)飛行主控制器, 飛行主控制器接收到其信息后解算并更新俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航姿態(tài)角控制跟蹤指令[7],這樣飛行器中減震防風(fēng)系統(tǒng)與飛控系統(tǒng)相結(jié)合,使得無人機(jī)在風(fēng)擾動(dòng)的情況下能實(shí)現(xiàn)零抖動(dòng), 加強(qiáng)飛行器穩(wěn)定性和靈活性。

3 六足機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)各種崎嶇路面,本飛行器的六足機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8],主要參考了自然界中蜘蛛腿的分布形式, 蜘蛛腿每條腿上有三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié),對(duì)于飛行器來說,機(jī)體自身的重量直接關(guān)系到飛行器的負(fù)載能力和續(xù)航能力,因此本設(shè)計(jì)采用兩自由度腿結(jié)構(gòu),通過采用連桿結(jié)構(gòu), 可用兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)該飛行器在陸地行走時(shí)所需的基本足端軌跡,和三自由度腿結(jié)構(gòu)構(gòu)相比,節(jié)省了4 個(gè)舵機(jī)。

該六足機(jī)械腿部采用了雙搖桿機(jī)構(gòu),其中4 是六足機(jī)械退的小腿部分,3 是大腿部分,與兩個(gè)舵機(jī)2 連接,構(gòu)成了腿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)自由度,其中一個(gè)自由度決定六足機(jī)械腿的前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng),另一個(gè)則決定側(cè)向運(yùn)動(dòng),六足沿機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱分布,與機(jī)體相連的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)呈六邊形狀分布, 來保證行走時(shí)整個(gè)飛行器的穩(wěn)定性和靈活性。行走時(shí)六足機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 行走時(shí)六足機(jī)械結(jié)構(gòu)

當(dāng)飛行器處于飛行狀態(tài)時(shí),為了保證姿態(tài)的穩(wěn)定性,采用可收縮性機(jī)械腿的結(jié)構(gòu),各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)采用數(shù)字伺服舵機(jī)完成,舵機(jī)可以控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和速度。除此之外,腿機(jī)構(gòu)在飛行模式時(shí),還利用了雙搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械干涉位置,讓電機(jī)軸和機(jī)身垂直,防止在升力作用下,舵機(jī)位置被拉偏,從而造成有效力矩的相互抵消和干擾力矩的形成,以此來幫助飛行器保持機(jī)身姿態(tài)。飛行時(shí)六足機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 飛行時(shí)六足機(jī)械結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本文介紹了一種飛行器防風(fēng)帶減震系統(tǒng),包括機(jī)身平臺(tái)、減振系統(tǒng)、舵機(jī)和足部運(yùn)動(dòng)部件。

飛行器與機(jī)器人相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)陸空兩棲作業(yè),應(yīng)用范圍廣泛;借鑒蜘蛛的六足機(jī)構(gòu),抓地牢固,地面爬行時(shí)靈活度高,便于調(diào)整行走方向,可適應(yīng)復(fù)雜地形;降落過程中,機(jī)械足可張開,充當(dāng)起落架;陸地行走模式時(shí),機(jī)械足長(zhǎng),使整機(jī)底盤升高,通過性強(qiáng);使用彈簧減震器,從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面減弱電機(jī)振動(dòng)和突變風(fēng)力載荷對(duì)飛機(jī)航姿的干擾;除機(jī)械減震防風(fēng)擾系統(tǒng)之外,還搭載有電子防風(fēng)擾系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)力過大,超出機(jī)械防風(fēng)擾系統(tǒng)的承受能力范圍,電子防風(fēng)擾系統(tǒng)可通過收集各種傳感器收集的數(shù)據(jù),調(diào)整相關(guān)飛控參數(shù),自主決策調(diào)整航姿。