單 杰，湯曉樂

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇揚(yáng)州 225003；2.江蘇汽車技師學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225003）

0 引言

四旋翼最顯著的開發(fā)方向就是在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。相比于單旋翼直升機(jī)而言，四旋翼飛行器可以完成上升、下降、前傾、后仰、左旋、右旋、左傾、右傾等動(dòng)作，還可以進(jìn)行垂直起降空中懸停等，對(duì)地理飛行環(huán)境有超強(qiáng)的適應(yīng)性，使其擁有其他各種飛行器無可比擬的優(yōu)勢(shì)。四旋翼無人機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于體積小，運(yùn)動(dòng)方便靈活，可以輕松完成各種狹窄空間的飛行任務(wù)[1]。

雖然四旋翼飛行器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求非常大，但是其控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過其他類型的飛行器，機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠度和運(yùn)動(dòng)控制算法的復(fù)雜性，以及對(duì)于通信和遠(yuǎn)程操控的高要求性，在一定程度上阻礙了它的發(fā)展。本文對(duì)于四旋翼無人機(jī)做出的進(jìn)一步研究，有助于推動(dòng)四旋翼飛行器的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的飛行器是一種結(jié)構(gòu)輕巧、外觀新奇的飛行器，其結(jié)構(gòu)精致合理。運(yùn)動(dòng)原理是通過改變分置在機(jī)身四周的4 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變旋翼產(chǎn)生的升力，由不同旋翼升力的不同變化來改變飛行姿態(tài)。本設(shè)計(jì)最終可達(dá)到垂直起飛降落、空中自由懸停等動(dòng)作，適應(yīng)各種飛行環(huán)境和各種飛行任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：四旋翼飛行器總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等（圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

1.1 四軸飛行器總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由機(jī)械本體（螺旋槳）、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，使電機(jī)輸出動(dòng)力傳到執(zhí)行部分。4 個(gè)大小、結(jié)構(gòu)、重量都相等的螺旋槳互相呈90°對(duì)稱安裝在飛行器機(jī)架末端且處于同一水平高度，機(jī)身主體部分提供上下2 個(gè)安裝板面，下平板主要是用來安裝電池和腳架，上平板可以安裝控制電路板電調(diào)、傳感器和其他信息采集設(shè)備。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大多數(shù)將電機(jī)立放，直接與螺旋槳相連，其結(jié)構(gòu)存在著電機(jī)安裝不牢固或4 個(gè)旋翼不平衡等問題，并且損壞后較難拆卸修理。本設(shè)計(jì)將電機(jī)橫置固定于電機(jī)底座上，配以聯(lián)軸器將扭矩源源不斷向前傳遞，聯(lián)軸器后面采用一對(duì)直齒圓錐齒輪傳動(dòng)，并配合一對(duì)角接觸球軸承以抵消圓錐齒輪大端軸向力，外加一個(gè)箱體使其成為閉式傳動(dòng)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，還有利于阻擋灰塵雨水等雜質(zhì)進(jìn)入傳動(dòng)系統(tǒng)損壞元件，增強(qiáng)了無人機(jī)對(duì)特殊工作環(huán)境的適應(yīng)性。動(dòng)力部分如圖2 所示。此傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊精密、安裝牢固可靠、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 動(dòng)力部分

1.3 機(jī)身主體設(shè)計(jì)

主體結(jié)構(gòu)采用上下2 個(gè)平板用一組螺栓組鏈接，上平板安裝控制器電路板，下平板安裝電池、腳架和外設(shè)裝備（如微型航拍攝像機(jī)等）。螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本著各螺栓受力合理、方便制造和安裝的原則。本設(shè)計(jì)采用1 組共計(jì)8個(gè)螺栓用以連接和支撐上下平板，細(xì)分為4 組，每組2 個(gè)呈中心對(duì)稱分布在上下平板之間，使螺栓組受力合理，避免了載荷分布不均等問題；采用相同材料及規(guī)格的螺栓螺母，還可以避免螺栓組承受附加的彎曲載荷（圖3）。

圖3 三維裝配

1.4 腳架設(shè)計(jì)

腳架的設(shè)計(jì)對(duì)于飛行器保持平衡和著陸穩(wěn)定要求至關(guān)重要，本設(shè)計(jì)的腳架設(shè)計(jì)成高腳架，以便于對(duì)飛行器后續(xù)的功能開發(fā)（圖4）。為了克服高腳架在降落時(shí)重心高、不平穩(wěn)等問題，將腳架做成半圓弧形狀，并且安裝2 根橫向支撐軸，增大了4 個(gè)著陸點(diǎn)之間的相對(duì)距離，提高了飛行器著陸時(shí)的穩(wěn)定性。在4 個(gè)最遠(yuǎn)處的著陸點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝了著陸減振皮圈，降低無人機(jī)降落時(shí)所帶來的沖擊振動(dòng)，以起到保護(hù)機(jī)器的作用。

圖4 腳架

1.5 總體裝配

電機(jī)、機(jī)身主體和腳架3 個(gè)大部件組成了本設(shè)計(jì)的完整結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖5 總體裝配

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)保持飛行器穩(wěn)定飛行和人為遙控完成一定的飛行姿態(tài)任務(wù)。通過檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和飛行器在空中飛行時(shí)的姿態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，然后由主控制器將由無線通信模塊傳來的指令與傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過一系列復(fù)雜的計(jì)算過程轉(zhuǎn)換成4 路PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊就是由位于機(jī)身四周的4 個(gè)無刷直流電機(jī)組成的，通過PWM 信號(hào)的改變來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，達(dá)到對(duì)飛行器飛行姿態(tài)的控制目的（圖6）。

圖6 控制系統(tǒng)流程

2.1 主控制器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)高速處理和運(yùn)算能力的要求高，目前市場(chǎng)上最受歡迎的32 位STM32 單片機(jī)十分合適。

2.2 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分所安裝的傳感器主要需要完成3 個(gè)任務(wù)：①檢測(cè)飛行器在空中的位置和姿態(tài)；②檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊4 個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向；③將所收集的信息傳送給主控制器，由主控制器與需要執(zhí)行的命令進(jìn)行對(duì)比處理，進(jìn)行后續(xù)任務(wù)。傳感器部分必須具備高精度、低消耗等優(yōu)點(diǎn)，滿足整個(gè)系統(tǒng)所具有的可靠性、抗干擾性、高集成度等特點(diǎn)，以下對(duì)各個(gè)檢測(cè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-4]。

（1）位姿檢測(cè)。位姿檢測(cè)傳感器模塊主要涉及陀螺儀和加速度計(jì)傳感器。陀螺儀測(cè)量的量是角速度的絕對(duì)值，綜合計(jì)算可得出相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度，檢測(cè)響應(yīng)快，不受外界磁場(chǎng)和加速度的影響，但是對(duì)陀螺儀長(zhǎng)時(shí)間積分后，存在積分累計(jì)誤差。這種累計(jì)誤差無法通過陀螺儀自身消除，并且陀螺儀的靜態(tài)響應(yīng)比較差。為了解決這一問題，就要給陀螺儀一個(gè)參考量，來修正陀螺儀的誤差。加速度計(jì)的情況剛好和陀螺儀的情況相反，加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差，但是靜態(tài)響應(yīng)很準(zhǔn)，所以只需要將陀螺儀和加速度計(jì)兩個(gè)信號(hào)量找到合適的耦合比例，就可以得到所需求的量，并且還能解決陀螺儀長(zhǎng)時(shí)間使用帶來的誤差。本設(shè)計(jì)采用的是MPU6050 高精度陀螺加速度計(jì)，它集成了三軸MEMS 陀螺儀，三軸MEMS 加速度計(jì)，避免了陀螺儀和加速度計(jì)組合時(shí)軸間差的問題，同時(shí)內(nèi)部嵌有數(shù)字濾波技術(shù)，能夠?yàn)V除外界噪聲，增加測(cè)量精準(zhǔn)度。MPU6050 內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，將其和互補(bǔ)濾波或卡爾曼濾波算法結(jié)合使用時(shí)，能夠在動(dòng)態(tài)情況下精準(zhǔn)地輸出當(dāng)前測(cè)量的姿態(tài)角，測(cè)量的姿態(tài)角精度能達(dá)到0.01°，穩(wěn)定性能非常高。

（2）轉(zhuǎn)速檢測(cè)。當(dāng)陀螺儀和加速度傳感器將飛行器的位置和姿態(tài)反饋給主控制器單片機(jī)后，主控制器就需要得到當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)，然后與無線模塊傳輸來的目標(biāo)命令進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過計(jì)算得出控制方案，然后轉(zhuǎn)變?yōu)? 路PWM 信號(hào)改變電機(jī)的狀態(tài)。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用光電傳感器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)槠錂z測(cè)方式為非接觸式，檢測(cè)時(shí)不需要和物體接觸，也不受其影響。檢測(cè)對(duì)象的限制少，可依檢測(cè)對(duì)象的表面反射、遮光等進(jìn)行檢測(cè)。其響應(yīng)速度快，可檢測(cè)高速移動(dòng)的物體。又因?yàn)槠鋼碛泄饩€直射性、波長(zhǎng)短的優(yōu)點(diǎn)，使分解能較高，最適合微小物體、高精度位置的檢測(cè)。再加上光纖的使用，可以進(jìn)行投、受光，在狹窄或危險(xiǎn)的場(chǎng)所裝置光纖，所受到的限制較少。綜合考慮采用光電傳感器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（3）轉(zhuǎn)向檢測(cè)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向?qū)τ陲w行器在空中完成橫滾、側(cè)飛和其他動(dòng)作尤為重要。本設(shè)計(jì)采用位置傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電機(jī)轉(zhuǎn)向，檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，控制它的導(dǎo)通與截止，使電機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)，提出一種新型無人機(jī)設(shè)計(jì)方案：通過4 個(gè)電機(jī)分別控制4 個(gè)旋翼，并結(jié)合位姿檢測(cè)系統(tǒng)避免飛行過程中因外力造成的飛行誤差。其結(jié)構(gòu)輕巧合理，避免了傳統(tǒng)旋翼類無人機(jī)的一些不足之處。