王裕雯 謝汶霖 譚祺興 何民安 陳燕婷

摘要：此前無人機應用領域提出了集群化無人機的應用概念，目的是將單一無人機具有的優(yōu)勢結合，取長補短能更好的完成無人機執(zhí)行的任務。目前無人機編隊等也屬于多無人機協(xié)同作業(yè)，但并未達到無人機集群化的使用需求，因此，子母機搭配協(xié)同作業(yè)的研究對多無人機協(xié)同任務分配具有重要意義。通過在目前無人機平臺中尋找合適的子機與母機，利用機械裝置等硬件將之結合起來，搭載不同的飛控來控制子母機執(zhí)行不同的任務。

關鍵詞：集群化無人機;子母無人機;機械裝置;分開控制

引言

無人機作為新崛起的新興行業(yè)，因為其應用范圍十分廣泛，近年熱度持續(xù)增高。目前例如大疆無人機具有較高的穩(wěn)定性與便捷的操縱性，近年來也出現(xiàn)有無人機編隊表演等無人機編隊產(chǎn)品，但其存在著使用維護繁瑣、使用環(huán)境苛刻、實用性欠佳等方面的缺陷，并未實現(xiàn)真正意義上的無人機集群協(xié)同化。

因此，本文提出了一種子母機的設想，即六軸多旋翼飛行器可搭載四旋翼飛到目標區(qū)域，在懸停狀態(tài)下通過釋放裝置將四旋翼飛行器釋放并分別進行偵察任務，避免因為目標過于分散而無法完成任務的情況出現(xiàn)。該套子母無人機釋放回收裝置具有通用性，可搭載在具備一定載荷條件范圍的母機平臺上，可實現(xiàn)子無人機的釋放與回收，為完成復雜條件下多無人機動態(tài)協(xié)同執(zhí)行任務打下前端基礎。

1 ?選定子母機平臺

1.1 ?母機選取

對于子母無人機的設計，需要從任務需求入手，通過子母機的結構、性能等方面設計系統(tǒng)。首先通過子母機進行搜救任務入手，母機搭載子機到達救援地點，因母機體型較大，險峻地勢無法執(zhí)行偵查任務，搭載的小型子機可以在狹窄的山谷等地偵查，或者搜救區(qū)域較大，母機無法獨自完成搜救偵查任務，可以派出子機來配合作業(yè)。對于母機的選取，我們應該考慮以下幾個方面：①載重能力②續(xù)航時間較長③穩(wěn)定性，充分考慮了母機自身也要具備便攜性、靈活性等特點，我們選擇大疆S900作為母機搭載平臺。

S900使用V型六旋翼設計。它的構件使用了碳纖維復合材料，能夠使無人機的機身達到所需的強度，同時最大的減輕重量。大疆S900整機重量3.3kg，是因為采用了輕量但堅固的碳纖維材質，擁有能夠傘形折疊的V型六軸結構，云臺采用下沉設計，所有機臂均可以向下折疊，GPS則有單獨的折疊座，因此整體十分輕盈便捷，攜帶時可以收起機臂、螺旋槳和GPS，減輕了攜帶時的不便。擁有獨特的可拆卸的上中心板，在更改整機的動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)時十分快捷。動力系統(tǒng)方面采用采用最新款的4114電機，最大功率500W，配合6s電池、40A電調(diào)能達到單軸最大2.5kg的推力，滿足母機的基本條件。

1.2 ?子機選取

子機選取過程與母機類似，從需求入手，有母機作為可移動平臺。選用子機的標準是輕巧、穩(wěn)定性好。因此，選用大疆Mavic 2 Pro。御2是一款主打便攜的無人機，性能出色，具有很好的機動性和飛行控制系統(tǒng)。它采用三軸機械云臺，可以360°全方位感知，工作環(huán)境溫度在-10°—40°之間，能夠適應惡劣環(huán)境。整機重量734g，最長飛行時間為31分鐘。這架無人機十分符合設計要求，作為子機再合適不過。

2 ?機械裝置的設計

機械裝置設計在符合設計需求的前提下，滿足理論力學、材料力學、機械設計理論以及空氣動力學等理論設計理論。通過理論設計及數(shù)理驗證，利用CATIA專業(yè)機械設計軟件進行建模分析，為機械結構提供設計導向，使機械設計達到理論設計需求。

初始的設計方向為母機可折疊的機械臂，用來抓取子機。但在空中，機械臂加上子機對母機整體的空氣動力影響較大，且重量也大，這無疑為母機的駕駛操縱帶來困難。為了解決這一問題，可以使用延伸平臺。將平臺固定在母機的上方，在平臺上再搭建一個方艙用來存放子機，采用軟連接的方式固定子機。方艙的目的是能在釋放子機時，避免被母機的下沉氣場所影響。也保證了子機精確懸停的精度范圍，最大限度的提高釋放與回收的成功率。

2.1 ?延伸平臺設計

選用的母機最大載重約為4.9kg，完全足夠搭載子機到達指定地點，并且擁有可拆卸的上中心板，能夠實現(xiàn)將延伸平臺固定在母機上中心板。因為子機存放必須保證展開狀態(tài)，因此艙體相比于母機中心板設計的較大，不能將延展平臺設計過高，會影響母機的平衡性。母機的機臂有一定上傾角，暫將平臺設計離母機上中心板15mm，選用連接件為銅柱，因為其硬度相比呂柱更大，能更好的支撐子機。通過銅柱將延伸平臺固定在母機上，選用M3*15+3的規(guī)格。母機上中心板的孔位大小為22mm，適合用M3大小的螺絲。延伸平臺要能保證母機上中心板和方艙皆能固定在平臺上，大小為210*170*2，通過切割2mm碳板來制作，來保證其強度。

2.2 ?方艙設計

方艙為一個盒體設計，厚度為2mm，為了保證質量不會過大從而影響母機飛行，采用環(huán)氧樹脂板，在強度足夠的同時質量也輕。因為子機水平懸停精度極限值約為0.3m，子機大小為322×242×84 mm，為了保證能夠成功使子機起飛降落，方艙設計成350×270×100mm，方艙地面按照平臺設計的孔位打孔，方便方艙與延伸平臺相固定。方內(nèi)側放有海綿等軟性材料，作為緩沖和固定的作用，避免搭載的子機因為左右碰撞而產(chǎn)生損壞。

方艙蓋的設計采用同樣的材質。要控制方艙蓋的開合，使子機正常起飛，在方艙側面用舵機架固定一個大扭力金屬齒舵機，將舵機機臂與方艙蓋相連，控制舵機旋轉，舵機帶動蓋子旋轉一定角度，暴露出內(nèi)側的子機。

2.3 ?舵機支撐架設計

舵機選擇銀燕ES3054，該舵機扭力大，完全能夠帶動頂部蓋子的旋轉挪動。設計一個可以將舵機工固定在方艙外側的舵機支撐架，如圖1，將舵機卡入支架開口處，舵機耳朵與支架頂面固定，支架側面按照孔位固定在方艙側面，支撐架選用3D打印機制作，使用樹脂等材料打印即可滿足需求。

為保證舵機臂與方艙頂?shù)捻樌B接，方艙頂?shù)脑O計要略大于方艙底部，大小設計為350×290×2mm，控制舵機轉動90°帶動頂蓋產(chǎn)生偏移，舵機與接收機相連相連接，利用遙控器開放新的通道來控制舵機，需要飛手來控制。

2.3.1 ?舵機控制

數(shù)字伺服器是舵機控制的動力源，舵機的控制信號是PWM信號，利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制，控制電路接收信號源的控制信號并將電機輸出扭矩放大相應倍數(shù)，然后輸出。電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機轉動角度。電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉到相應目標。[1]

3 ?多機協(xié)同控制系統(tǒng)

3.1 ?具體操作

多無人機協(xié)同控制簡要概括就是多個無人機按照相應的控制方法完成指定的任務。其中，按照不同的無人機任務標準對無人機進行劃分，可將協(xié)同控制方法分為一致性控制、編隊控制以及合圍控制等[3]。

因為子母機具體任務不同，采用子母機分開控制，即子機與母機分別有自己的飛控，子機御2的飛控是內(nèi)置的，母機選用漢鯤的F2飛控。使用北理珠無人機實驗室的多機協(xié)同控制系統(tǒng)。母機與子機的兩個飛控分別連接到協(xié)同控制平臺，由平臺系統(tǒng)遠程控制，預留可見兩機的外場人員在現(xiàn)場，與控制系統(tǒng)內(nèi)場實時通話，確保無人機的安全，若發(fā)生意外情況由外場人員接管無人機的操控工作，優(yōu)先級別高于控制系統(tǒng)。

3.1.1 ?子機釋放與回收

圖3為該系統(tǒng)的控制圖。其中，指揮員明確此次無人機飛行任務的具體內(nèi)容和特點，進行崗位人員分配，提出具體要求，在下達任務前進行內(nèi)場和外場飛行前準備，確保設備運行前處于良好狀態(tài)，準備完畢后內(nèi)外場需分別向指揮員報告。外場無人機登錄遙控器賬號，因為子母機的飛控不同，內(nèi)場云平臺需要分別接管子機母機并分別上傳航線。指揮員下達任務后命令起飛，內(nèi)場操作員控制平臺先給母機發(fā)送控制指令，母機在平臺全自動控制下正常起飛，規(guī)劃的航線使母機在指定位置懸停，控制舵機旋轉角度，打開艙門，在由平臺發(fā)送起飛指令給子機的飛控，讓子機在方艙內(nèi)完成起飛動作，實現(xiàn)子機的釋放。平臺分別控制兩機完成不同任務再回到指定地點。回收子機時，控制母機懸停在指定位置，但是因為子機飛控水平精度過大，直接由飛控回收難度較大，若外場觀察員注意到子機回收有困難，告知外場飛手，外場飛手接管子機，能最大限度的保證子機回收成功。

4結語

本文通在現(xiàn)有無人機平臺中根據(jù)需求選擇合適的子母機，通過給母機設計一種連接機械裝置，搭載子機并釋放與回收，再通過多機協(xié)同控制平臺完成多任務分配，初步實現(xiàn)了子母無人機協(xié)同作業(yè)。

參考文獻

[1]胡彬，郭小燕，等.基于Arduino的智能共享系統(tǒng)[J].電腦知識與技術，2019，15（29）：280-282.

[2]劉勝南，李喬，陸寧云，等.一種微型電動無人機續(xù)航時間的估算方法[J].第26屆中國控制與決策會議（2014 CCDC）論文集，2014.

[3]韓亮，任章，董希旺，等.多無人機協(xié)同控制方法及應用研究[J].導航定位與授時，2018，5（04）：1-7.