打开文本图片集
摘要：多旋翼无人飞行器是一种多用途，可靠性好的飞行器，它可根据不同目的搭载相应模块的负载完成相应的任务。它的飞行姿态稳定，对环境要求较低，配合机载导航，定位设备，可实现无人控制飞行。
本文以小型民用无人飞行器为研究对象，主要侧重于多用途路况探测与救援无人机的开发设计，首先介绍了多旋翼无人机的概念和飞行原理，并且从外形、总体布局、动力装置和控制理论对其进行分析。本文结合了现有的理论成果，针对实际问题，设计了一款可更换模块的小型无人机。
关键词： 多用途; 多旋翼无人飞行器; 路况探测
中图分类号：TP391 文献标识码：A
文章编号：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
引多旋翼无人飞行器是一种可以垂直起飞、降落，对起降环境和地形要求较低，以多个旋翼提供升力的飞行器。其优点包括结构简单可靠，外形尺寸可根据实际需求进行设计变化，组装简单，中低空飞行性能和稳定性机动性较好，维护简便成本低等等。多旋翼飞行器在各个行业的应用场景中都可起到关键作用并代替有人机械完成一些危险性较大的工作并降低成本。例如，使用无人机搭载摄像机航拍代替直升机航拍，在突发灾害时利用无人机抢先到达灾区并勘察地形和被困人员位置为营救争取时间。无人机的利用随着科技的发展正在被普及，我们小组着眼于多功能无人机的开发设计，主要着重于研究野外路况的探测和救援。现代都市的驾驶者开始喜欢驾驶着爱车去野外感受大自然的风光，然而野外的路况并不如城市那般平整，相反很多情况下路况都极其复杂，驾驶者一旦判断失误就会伤及爱车，甚者损坏车辆底盘困于野外。而此款无人机可解决此类问题，其可装配于越野车车顶，由车内的电瓶直接进行充电，由于现在越来越多的车辆都装配了中央显示屏幕，所以此款无人机的操作模块可集成于车辆的人机交互系统，对于驾驶者的使用极其方便。
1 设计说明
1.1设计流程
1.2 外形設计
由此款地形侦测无人机外观与普通无人飞行器相似，为四旋翼无人机。机身主要由聚合物材料制作。为了使此款无人机在野外适应于各种艰难环境，尽管其机身尺寸长为21cm，四个螺旋桨也均采用了碳纤维材质桨片，以此来确保无人机在恶劣环境下的稳定性及灵活性。无人机的四个机臂下方还配备了基础的起落架，使得无人机能稳定降落于车顶上。无人机的四个无刷电机分别固定于机臂末端，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。
1.3 总体布局
此款无人机的主要部件有升力旋翼，无刷电机，无刷电子调速器，飞行控制微计算机，接收机，发射机，锂聚合物电池。
四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时有六个状态输出。 四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
2）俯仰运动：电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
3）滚转运动：改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），實现飞行器的滚转运动。
4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图二中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图二中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其他两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。
6）倾向运动：由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
1.4 起降方式
四旋翼飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
2）俯仰运动：在图2中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 2、电机 4 的转速保持不变。由于旋翼1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机 1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
3）滚转运动：在图2中，改变电机 2和电机 4的转速，保持电机1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。
4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图2中，当电机 1和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。
5）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图二中，增加电机 3转速，使拉力增大，相应减小电机 1转速，使拉力减小，同时保持其他两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。（在图2中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。）
6）倾向运动：在图二中，由于结构对称，所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。
1.5 操纵系统
1.5.1飞行控制微计算机
飞行控制微计算机是旋翼机的核心设备，是无人机最核心的技术之一，其性能从本质上决定了无人飞行器的飞行性能。其完成的主要功能有：
·处理来自遥控器或自动控制的信号，这时飞控需要识别遥控器或自动控制的信号，完成要求的飞行姿态或其他指令。
·控制电调，此时飞控为电调发送信息，调节马达转速，用以控制旋翼机改变飞行状态。
除了以上的主要功能，飞控板还可以通过一些板载的测量元件，在没有任何控制的情况下，通过控制电调的输出信号保持旋翼机的稳定飞行。一些成品飞控板还有其他的功能，通过飞控板提供额外的接口，在固件程序中有相应的处理程序，来实现如固件烧写和云台搭载。
1.6 动力装置参数
1.6.1总体参数
最大拉力：1.32 千克/ 轴（16.8 V，海平面）;使用环境温度：-10 至50 ℃。
1.6.2电机
定子尺寸：23×5 mm;KV值：2400 rpm/V;重量：27.8 g。
1.6.3 电调
最大允许电压：17.4 V;最大允许电流（持续）：30 A;最大允许峰值电流（3 秒）：45 A;支持输入油门信号模式：普通信号及OneShot125信号;最大兼容OneShot125信号频率：1 kHz;最大兼容普通信号频率：500 Hz;默认输出PWM频率：16 kHz;重量：2.8 g;支持电池：3S - 4S LiPo。
1.7 性能数据
最大上升速度：5m/s;最大下降速度：3m/s;最大水平飞行速度：65km/s（海平面附近无风环境）;最大飞行海拔高度：5000m;最大飞行时间：27分钟（无风环境25km/s匀速飞行）;最长悬停时间：24分钟（无风环境）;卫星定位模块：GPS;悬停精度：垂直+/-0.1m 水平+/-0.3m。
1.7.1 遥控器和接收机
采用2.4Ghz频率的六通道发射机与接收机组合，接收机安装在機身上，发射机则由地面操作者控制，接收机将接收的无线电信号通过电信号传给飞行控制计算机，进而驱动电子调速器改变电机转速，控制飞行器以稳定或改变飞行器的运动状态。
1.7.2 电池
电池主要以锂聚合物电池为主，采用叠片软包装，其可以任意面积化和任意形状化，该电池是采用渗透性较强的复合材料薄膜隔离正负极板正极采用钴酸锂、锰酸锂等物质作为收集极，负极选择石墨材料，并选择有机溶剂作为电解质，相比锂离子电池，锂聚合物电池电解液为胶状物。锂电池的容量表示方法一般有ZmAH和ZWH两种，前者表示以ZmA持续放电，能够维持1h;后者表示以ZW放电，能够连续放电1h。此外，其内部有电池安全阀、PTC等组成，以防止其在输出异常的，短路的情况下保护电池，免受损害。
标准的锂聚合物电池电压是3.7V，充电后满电压可达4.2V。锂聚合物电池的S数代表锂电池的节数，一节锂电池表示为1S，标准电压值为3.7V，以5000mah电池为例，单节1s电池重量在125g～132g之间，同理，6S电池则为22.8V标准电压，750g～792g之间。电池放电C数表示电池的放电能力，如6000mah的电池，标准为0.5C，则放电电流为0.5x6000=3000mA，需要特别注意的是不能以大于锂电池C数倍放电，否则会快速损坏电池甚至自燃。
2 通用接口平台部分设计及分析
2.1 该通用接口平台的设计理念
（1）平台提供一定的互换性，尽可能多的兼容其他组件以实现更多的功能;
（2）具有便携性，具有快速拆卸和安装的功能，尽量减少或不使用其他的工具来完成设备的更换;
（3）通用平台接口具有传输电能和数据的能力，可与接收机和飞控配合，驱动不同的组件。
因此平台最终采用上下两部分设计，上部分与减震台，下底座连接，下部分与功能组件相连。通用接口采用USB3.0技术。
如图，这是USB3.0 Micro B接口，针脚1是供电（VBUS），针脚2是USB2.0的数据-，针脚3是USB2.0的数据+，针脚4是USB的ID线，针脚5是地线（GND），针脚6是USB3.0的发送数据线-，针脚7是USB3.0发送数据线+，针脚8是地线（GND），针脚9是USB3.0的接收数据线-，针脚10是USB3.0接受数据线+。
通用平台底座下方配有两对USB3.0接口，一方面可作为其他组件能源的供给来源（标准输出5V 1A），为通用下平台未能悬挂的部分提供兼容的可能。另一方面可以作为信息接入的入口，为今后集成飞控，开源飞控，单片机的接入预留空间。
3 结束语
本课题主要研究内容是基于多功能旋翼无人机的三维建模及多功能接口的理论研究。任务重点在于对旋翼机的结构和多功能接口简要的分析，较为完整的设计出一部四旋翼飞行器及其多功能接口的示意图，并在此基础上根据现实问题自主开发设计一款通用多功能接口模型示意图，最终完成主要模型示意图，具体成果如下：
1）对旋翼机飞行结构和控制原理进行简要的介绍，对动力部分进行简要的理论分析;
2）基于SolidWorks对旋翼机整体进行实体建模，在3Dmax环境下设计装配旋翼机多功能接口的三维虚拟模型;
3）基于3Dmax自主开发设计一款具有理论可行性的多功能接口，在此基础上绘制多功能接口及相关组件的模型示意图，进行简单的功能性分析，并在3Dmax装配环境下组合装配。
4）将整体模型的示意图运用到实际，为下一步开发实体模型机做准备。
参考文献：
[1] 张晓林.无人驾驶直升机遥测遥控与电子系统设计[J].航空学报，2002（5）.
[2] 杨海军，黄耀欢.化工污染气体无人机遥感监测[J].地球信息科学学报，2015（10）.
[3] 刘庆元，郝立良，黄书捷，等.改进的UKF在GPS/INS组合导航中的应用[J].测绘科学技术学报，2014（5）. [4] 李国柱.基于PSO的测距模型参数估计三维定位算法[J].计算机测量与控制，2014（9）.
[5] 靳雷，刘洋，张硕，等.无人机遥感系统在某河流域环境监测项目中的应用[J].环境保护与循环经济，2013（8）.
[6] 李俊，李运堂.四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2012（1）.
[7] 杜传明.百度地图API在小型地理信息系统中的应用[J].测绘与空间地理信息，2011（2）.
[8] 冯震，李怀兵，丑武胜.旋翼微小型无人机地面站系统的设计与实现[J].计算机工程，2010（23）.
[9] 张志明，马睿，岳继光，等.LabVIEW下多通道数据采集与处理实验系统设计——基于“传感器与检测技术”课程实验[J].工业和信息化教育，2015（10）.
[10] 李大伟，杨炯.开源飞控知多少[J].机器人产业，2015（3）.
[11] 苏继川，黄勇，李永红，等.小展弦比飞翼亚、跨、超声速支撑干扰研究[J].空气动力学学报，2015（3）.
[12] 周进，张东升，梅雪松，李泽州.基于虚拟样机技术倾转四旋翼飞行器联合仿真[J].计算机仿真，2015（1）.
[13] 关武.蓝鲸旋翼机[J].老同志之友，2014（9）.
[14] 王裕夫，刘振国，陶国权.某高空螺旋桨气动特性数值模拟与风洞试验[J].北京航空航天大学学报，2013（8）.
[15] 沙虹伟，陈仁良.倾转旋翼机飞行力学特性[J].航空动力学报，2012（4）.
[16] 李俊，李运堂.四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2012（1）.
[17] 王旭，黄萌，任智静，等.前掠翼与平直翼布局气动特性的比较分析[J].空军工程大学学报：自然科学版，2011（4）.
[18] 李磊.无人机技术现状与发展趋势[J].硅谷，2011（1）.
【通联编辑：唐一东】