八旋翼海岸救生無人機(jī)

楊信錕+鄭元華

摘 要：八旋翼海岸救生無人機(jī)是具有物品投放功能的多旋翼無人機(jī)。八旋翼飛行器有八個(gè)螺旋槳，配備帶云臺(tái)攝像機(jī)和機(jī)械手，攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)航拍取景和空中監(jiān)控等飛行任務(wù)，機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)夾持、運(yùn)輸、投放物品任務(wù)。本文對(duì)此無人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、地面站等方面進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：多旋翼；無人機(jī)；APM；物品投放

中圖分類號(hào)：V275.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0062-02

八旋翼海岸救生無人機(jī)是一種多旋翼飛行器，傘形折疊結(jié)構(gòu)，可單手提起，能在攜帶狀態(tài)與工作狀態(tài)之間迅速轉(zhuǎn)換。采用垂直起降，對(duì)起飛環(huán)境要求較低，能在狹窄、惡劣的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)?？蓤?zhí)行空中監(jiān)控取景、地形勘探、救生等飛行任務(wù)。海岸救生無人機(jī)搭配GPS、指南針模塊進(jìn)行飛行?？蓪?shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停、失控返航、航向鎖定、返航點(diǎn)鎖定等飛行控制功能。通過地面站可以設(shè)定航點(diǎn)進(jìn)行全自動(dòng)巡航。攝像頭可將實(shí)時(shí)畫面發(fā)送會(huì)地面站，一旦發(fā)現(xiàn)游泳者有異狀可以立即施救，投放救生圈。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

采用框架結(jié)構(gòu)保證穩(wěn)固的機(jī)體。機(jī)身采用碳纖維材料，利用雕刻機(jī)切割組裝形成機(jī)身。碳纖維具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)小等特性；基于以上特性，碳纖維與金屬、樹脂、陶瓷等復(fù)合形成的材料，具有高比模量、高比強(qiáng)度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐疲勞等多種顯著優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用廣泛[1]。

機(jī)身采用正八邊形布局。在同等條件下，軸向平鋪多旋翼能充分利用每個(gè)電機(jī)動(dòng)力。本飛行器采用八軸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。主控板位于中心，負(fù)責(zé)接收發(fā)射機(jī)的控制信號(hào)，收到信號(hào)后，通過控制總線分別控制八個(gè)電調(diào)，電調(diào)再將控制命令轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制要求。按照機(jī)載飛控系統(tǒng)來確定螺旋槳的正反與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的順序，機(jī)械結(jié)構(gòu)上只需均勻分布重量，八電機(jī)保持在同一水平線上。

2 設(shè)備構(gòu)成

見圖1。電子設(shè)備包括飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通信視頻模塊、導(dǎo)航系統(tǒng)、物品投放系統(tǒng)。飛行控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，核心組件就是飛行控制器，決定飛行的平衡及飛行狀態(tài)，完成既定飛行任務(wù)。通信視頻模塊是無人機(jī)的眼睛，導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)的耳朵，物品投放系統(tǒng)是無人機(jī)的手臂。動(dòng)力系統(tǒng)包括電池、無刷控制器、無刷電機(jī)、螺旋槳四個(gè)部分。電池采用高儲(chǔ)能鋰電池。鋰離子電池具有工作電壓高、無記憶效應(yīng)、重量輕、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為電子產(chǎn)品電源的主力。蓄電池同時(shí)具備很好的荷電保持能力、高低溫放電性能、倍率性能、安全性能與臨近空間環(huán)境適應(yīng)性[2]。

無刷控制器是無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，作用是根據(jù)信號(hào)的變化來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。此控制器可作為控制裝置，為三相無刷電機(jī)提供封閉回路的換向控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制的同時(shí)保護(hù)電機(jī)，無刷電機(jī)的控制器復(fù)雜度明顯提升。因機(jī)理特點(diǎn)，無刷電機(jī)必須與無刷控制器協(xié)調(diào)工作。因?yàn)榫邆淇删S護(hù)性高、功率輸出能力強(qiáng)等特點(diǎn)，無刷控制器成為電動(dòng)航模的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

通信與視頻模塊中搭載攝像機(jī)、云臺(tái)、無線收發(fā)器等設(shè)備；對(duì)面站對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。攝像機(jī)用于收集需要捕捉的圖像信息。云臺(tái)作為攝像機(jī)的自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)，同時(shí)滿足多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。在圖像傳送回地面之前，飛行信息以文字形式，通過飛控系統(tǒng)的圖像疊加器（OSD）疊加在圖像上；地面控制人員通過監(jiān)控屏幕看到實(shí)時(shí)圖像，觀察飛機(jī)的狀態(tài)信息。

體內(nèi)置三軸慣導(dǎo)陀螺、GPS、高度計(jì)等精密傳感器；具有垂直起降、自動(dòng)駕駛飛行、GPS懸停、Carefree操控等功能。

物品投放系統(tǒng)主要由機(jī)械手構(gòu)成。機(jī)械手由驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成。根據(jù)被抓持物件的重量、尺寸、形狀、材料與作業(yè)要求而具有多種結(jié)構(gòu)，如夾持型、吸附型與托持型等。手部基于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)既定動(dòng)作，改變被抓持物件的位置與姿勢(shì)。通過對(duì)機(jī)械手每個(gè)電機(jī)的控制，控制系統(tǒng)完成動(dòng)作要求；通過接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)所要控制的功能由主控芯片編程實(shí)現(xiàn)[3]。本無人機(jī)的機(jī)械手采用托持型，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)型號(hào)不同，所能托持的重量也不一樣。

3 飛控系統(tǒng)

采用APM（ArduPilotMega）2.8作為飛控系統(tǒng)[3]，具有自動(dòng)起飛、降落、返航，航點(diǎn)航線飛行等多種性能。APM支持多種載機(jī)，如多旋翼、固定翼、直升機(jī)等，可搭配地面控制站使用。Arducoper模式支持直升機(jī)與多旋翼（包括三軸、四軸、六軸、八軸等），ArduPlane模式支持固定翼飛機(jī)。地面站可進(jìn)行固件與在線調(diào)參升。APM與地面站之間使用全雙工無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可建立數(shù)據(jù)鏈，以構(gòu)成無人機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。APM具有人性化的圖形地面站控制軟件，通過MicroUSB線或無線數(shù)傳連接就可進(jìn)行設(shè)置和下載程序到MCU中。APM支持編程下載，使用Arduino可進(jìn)行自由編程下載。

ArduPilotMega自動(dòng)駕駛儀MCU采用8bitATME GA2560，整合三軸陀螺儀與三軸加速度的MEMS傳感器MPU6000、高度測(cè)量采用高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS-5611、16MB的存儲(chǔ)器AT45DB161D及HMC5883 三軸磁力計(jì)。具有8路PWM控制輸入、11路模擬傳感器輸入及11路PWM輸出（8路電調(diào)電機(jī)+3路云臺(tái)增穩(wěn)）。如圖2所示。

APM有OSD模塊，可將速度、姿態(tài)、模式等重要數(shù)據(jù)疊加到圖像上實(shí)時(shí)回傳。

4 結(jié)語

八旋翼海岸救生無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投放藥品、急救包、救生衣、救生艇等物品，可協(xié)助消防隊(duì)、救援隊(duì)等機(jī)構(gòu)共同實(shí)救，改變救生理念，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黎小平，張小平，王紅偉.碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005，5：14-40.

[2]豐震河，黃莉，宋縉華，王可，解晶瑩.高效儲(chǔ)能鋰電池技術(shù)研究.高分辨率對(duì)地觀測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì)，2013.

[3]趙杰.無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2014.