楊思力　陳閔葉　項陽　侯添元

摘要：多旋翼無人飛行器是一種多用途，可靠性好的飛行器，它可根據(jù)不同目的搭載相應(yīng)模塊的負載完成相應(yīng)的任務(wù)。它的飛行姿態(tài)穩(wěn)定，對環(huán)境要求較低，配合機載導(dǎo)航，定位設(shè)備，可實現(xiàn)無人控制飛行。

本文以小型民用無人飛行器為研究對象，主要側(cè)重于多用途路況探測與救援無人機的開發(fā)設(shè)計，首先介紹了多旋翼無人機的概念和飛行原理，并且從外形、總體布局、動力裝置和控制理論對其進行分析。本文結(jié)合了現(xiàn)有的理論成果，針對實際問題，設(shè)計了一款可更換模塊的小型無人機。

關(guān)鍵詞： 多用途; 多旋翼無人飛行器; 路況探測

中圖分類號：TP391 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）14-0262-04

Abstract：Multi-rotor UAV is a kind of multi-purpose， reliable aircraft， which can carry the corresponding module load to complete the corresponding tasks according to different purposes. It has stable flight attitude and low environmental requirements. It can realize unmanned flight with airborne navigation and positioning equipment. This paper focuses on the development and design of a small civil unmanned aerial vehicle （UAV）. Firstly， the concept and flight principle of a multi-rotor UAV are introduced， and its configuration， overall layout， power plant and control theory are analyzed. In this paper， a small UAV with replaceable modules is designed， which combines the existing theoretical results and aims at practical problems.

Key words：multi-purpose; ?Multi-rotor UAV; ?terrain detection

引多旋翼無人飛行器是一種可以垂直起飛、降落，對起降環(huán)境和地形要求較低，以多個旋翼提供升力的飛行器。其優(yōu)點包括結(jié)構(gòu)簡單可靠，外形尺寸可根據(jù)實際需求進行設(shè)計變化，組裝簡單，中低空飛行性能和穩(wěn)定性機動性較好，維護簡便成本低等等。多旋翼飛行器在各個行業(yè)的應(yīng)用場景中都可起到關(guān)鍵作用并代替有人機械完成一些危險性較大的工作并降低成本。例如，使用無人機搭載攝像機航拍代替直升機航拍，在突發(fā)災(zāi)害時利用無人機搶先到達災(zāi)區(qū)并勘察地形和被困人員位置為營救爭取時間。無人機的利用隨著科技的發(fā)展正在被普及，我們小組著眼于多功能無人機的開發(fā)設(shè)計，主要著重于研究野外路況的探測和救援。現(xiàn)代都市的駕駛者開始喜歡駕駛著愛車去野外感受大自然的風(fēng)光，然而野外的路況并不如城市那般平整，相反很多情況下路況都極其復(fù)雜，駕駛者一旦判斷失誤就會傷及愛車，甚者損壞車輛底盤困于野外。而此款無人機可解決此類問題，其可裝配于越野車車頂，由車內(nèi)的電瓶直接進行充電，由于現(xiàn)在越來越多的車輛都裝配了中央顯示屏幕，所以此款無人機的操作模塊可集成于車輛的人機交互系統(tǒng)，對于駕駛者的使用極其方便。

1 設(shè)計說明

1.1設(shè)計流程

1.2 外形設(shè)計?

由此款地形偵測無人機外觀與普通無人飛行器相似，為四旋翼無人機。機身主要由聚合物材料制作。為了使此款無人機在野外適應(yīng)于各種艱難環(huán)境，盡管其機身尺寸長為21cm，四個螺旋槳也均采用了碳纖維材質(zhì)槳片，以此來確保無人機在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性及靈活性。無人機的四個機臂下方還配備了基礎(chǔ)的起落架，使得無人機能穩(wěn)定降落于車頂上。無人機的四個無刷電機分別固定于機臂末端，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設(shè)備。

1.3 總體布局

此款無人機的主要部件有升力旋翼，無刷電機，無刷電子調(diào)速器，飛行控制微計算機，接收機，發(fā)射機，鋰聚合物電池。

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時有六個狀態(tài)輸出。 四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

2）俯仰運動：電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機 2、電機 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當電機 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。

3）滾轉(zhuǎn)運動：改變電機 2和電機 4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。

4）偏航運動：旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動;當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖二中，當電機 1和電機 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機 2 和電機 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機 1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。

5）前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其他兩個電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運動。

6）傾向運動：由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

1.4 起降方式

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。 四旋翼飛行器的電機 1和電機 3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機 4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。

1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升;反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

2）俯仰運動：在圖2中，電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3 的轉(zhuǎn)速下降（改變量大小應(yīng)相等），電機 2、電機 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，同理，當電機 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。

3）滾轉(zhuǎn)運動：在圖2中，改變電機 2和電機 4的轉(zhuǎn)速，保持電機1和電機 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。

4）偏航運動：旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動;當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖2中，當電機 1和電機 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機 2 和電機 4 的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機 1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。

5）前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖二中，增加電機 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其他兩個電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。（在圖2中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿 x、y軸的水平運動。）

6）傾向運動：在圖二中，由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。

1.5 操縱系統(tǒng)

1.5.1飛行控制微計算機

飛行控制微計算機是旋翼機的核心設(shè)備，是無人機最核心的技術(shù)之一，其性能從本質(zhì)上決定了無人飛行器的飛行性能。其完成的主要功能有：

·處理來自遙控器或自動控制的信號，這時飛控需要識別遙控器或自動控制的信號，完成要求的飛行姿態(tài)或其他指令。

·控制電調(diào)，此時飛控為電調(diào)發(fā)送信息，調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速，用以控制旋翼機改變飛行狀態(tài)。

除了以上的主要功能，飛控板還可以通過一些板載的測量元件，在沒有任何控制的情況下，通過控制電調(diào)的輸出信號保持旋翼機的穩(wěn)定飛行。一些成品飛控板還有其他的功能，通過飛控板提供額外的接口，在固件程序中有相應(yīng)的處理程序，來實現(xiàn)如固件燒寫和云臺搭載。

1.6 動力裝置參數(shù)

1.6.1總體參數(shù)

最大拉力：1.32 千克/ 軸（16.8 V，海平面）;使用環(huán)境溫度：-10 至50 ℃。

1.6.2電機

定子尺寸：23×5 mm;KV值：2400 rpm/V;重量：27.8 g。

1.6.3 電調(diào)

最大允許電壓：17.4 V;最大允許電流（持續(xù)）：30 A;最大允許峰值電流（3 秒）：45 A;支持輸入油門信號模式：普通信號及OneShot125信號;最大兼容OneShot125信號頻率：1 kHz;最大兼容普通信號頻率：500 Hz;默認輸出PWM頻率：16 kHz;重量：2.8 g;支持電池：3S - 4S LiPo。

1.7 性能數(shù)據(jù)

最大上升速度：5m/s;最大下降速度：3m/s;最大水平飛行速度：65km/s（海平面附近無風(fēng)環(huán)境）;最大飛行海拔高度：5000m;最大飛行時間：27分鐘（無風(fēng)環(huán)境25km/s勻速飛行）;最長懸停時間：24分鐘（無風(fēng)環(huán)境）;衛(wèi)星定位模塊：GPS;懸停精度：垂直+/-0.1m 水平+/-0.3m。

1.7.1 遙控器和接收機

采用2.4Ghz頻率的六通道發(fā)射機與接收機組合，接收機安裝在機身上，發(fā)射機則由地面操作者控制，接收機將接收的無線電信號通過電信號傳給飛行控制計算機，進而驅(qū)動電子調(diào)速器改變電機轉(zhuǎn)速，控制飛行器以穩(wěn)定或改變飛行器的運動狀態(tài)。

1.7.2 電池

電池主要以鋰聚合物電池為主，采用疊片軟包裝，其可以任意面積化和任意形狀化，該電池是采用滲透性較強的復(fù)合材料薄膜隔離正負極板正極采用鈷酸鋰、錳酸鋰等物質(zhì)作為收集極，負極選擇石墨材料，并選擇有機溶劑作為電解質(zhì)，相比鋰離子電池，鋰聚合物電池電解液為膠狀物。鋰電池的容量表示方法一般有ZmAH和ZWH兩種，前者表示以ZmA持續(xù)放電，能夠維持1h;后者表示以ZW放電，能夠連續(xù)放電1h。此外，其內(nèi)部有電池安全閥、PTC等組成，以防止其在輸出異常的，短路的情況下保護電池，免受損害。

標準的鋰聚合物電池電壓是3.7V，充電后滿電壓可達4.2V。鋰聚合物電池的S數(shù)代表鋰電池的節(jié)數(shù)，一節(jié)鋰電池表示為1S，標準電壓值為3.7V，以5000mah電池為例，單節(jié)1s電池重量在125g～132g之間，同理，6S電池則為22.8V標準電壓，750g～792g之間。電池放電C數(shù)表示電池的放電能力，如6000mah的電池，標準為0.5C，則放電電流為0.5x6000=3000mA，需要特別注意的是不能以大于鋰電池C數(shù)倍放電，否則會快速損壞電池甚至自燃。

2 通用接口平臺部分設(shè)計及分析

2.1 該通用接口平臺的設(shè)計理念

（1）平臺提供一定的互換性，盡可能多的兼容其他組件以實現(xiàn)更多的功能;

（2）具有便攜性，具有快速拆卸和安裝的功能，盡量減少或不使用其他的工具來完成設(shè)備的更換;

（3）通用平臺接口具有傳輸電能和數(shù)據(jù)的能力，可與接收機和飛控配合，驅(qū)動不同的組件。

因此平臺最終采用上下兩部分設(shè)計，上部分與減震臺，下底座連接，下部分與功能組件相連。通用接口采用USB3.0技術(shù)。

如圖，這是USB3.0 Micro B接口，針腳1是供電（VBUS），針腳2是USB2.0的數(shù)據(jù)-，針腳3是USB2.0的數(shù)據(jù)+，針腳4是USB的ID線，針腳5是地線（GND），針腳6是USB3.0的發(fā)送數(shù)據(jù)線-，針腳7是USB3.0發(fā)送數(shù)據(jù)線+，針腳8是地線（GND），針腳9是USB3.0的接收數(shù)據(jù)線-，針腳10是USB3.0接受數(shù)據(jù)線+。

通用平臺底座下方配有兩對USB3.0接口，一方面可作為其他組件能源的供給來源（標準輸出5V 1A），為通用下平臺未能懸掛的部分提供兼容的可能。另一方面可以作為信息接入的入口，為今后集成飛控，開源飛控，單片機的接入預(yù)留空間。

3 結(jié)束語

本課題主要研究內(nèi)容是基于多功能旋翼無人機的三維建模及多功能接口的理論研究。任務(wù)重點在于對旋翼機的結(jié)構(gòu)和多功能接口簡要的分析，較為完整的設(shè)計出一部四旋翼飛行器及其多功能接口的示意圖，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)實問題自主開發(fā)設(shè)計一款通用多功能接口模型示意圖，最終完成主要模型示意圖，具體成果如下：

1）對旋翼機飛行結(jié)構(gòu)和控制原理進行簡要的介紹，對動力部分進行簡要的理論分析;

2）基于SolidWorks對旋翼機整體進行實體建模，在3Dmax環(huán)境下設(shè)計裝配旋翼機多功能接口的三維虛擬模型;

3）基于3Dmax自主開發(fā)設(shè)計一款具有理論可行性的多功能接口，在此基礎(chǔ)上繪制多功能接口及相關(guān)組件的模型示意圖，進行簡單的功能性分析，并在3Dmax裝配環(huán)境下組合裝配。

4）將整體模型的示意圖運用到實際，為下一步開發(fā)實體模型機做準備。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】