微型探測安防智能四軸飛行器的設計

王晨懿

摘 要：四軸飛行器是一類旋翼式飛行器，已在多種領域內得到廣泛應用。但現有的四周飛行器不能進行有效地自動避障，難以面對復雜多變的危險環境。該文結合紅外反射式傳感器，設計了一種可自動避障的微型四軸飛行器，對其基本運動進行了分析，并確定了一種對姿態測量的算法，為進一步研究打下良好的基礎。

關鍵詞：探測安防 智能 四軸飛行器

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0102-02

四軸飛行器是一類旋翼式飛行器，擁有4個相同結構螺旋槳，共同為飛行器提供動力。它具有結構簡單、成本低廉、飛行穩定等特點，且技術成熟，已在多種領域內得到廣泛應用。四軸飛行器可以輕松地前往危險區域進行探測，不僅節省人力資源，更提高了安全效率。但現有的多數四軸飛行器不能進行有效地自動避障，難以面對復雜多變的危險環境。

1 結構設計

主要組成部分包括機身、螺旋槳、電機、控制中心和應用模塊。

機身是電機和控制中心的承載平臺，也起到保證電機之間相對位置的作用。該微型四軸飛行器機身采取“X”型，即，為節省研究成本，原型機機身選擇泡沫塑料板。實際成品則可采用鋁合金。

螺旋槳包括兩對正反槳葉，與電機一起固定在機身各軸的末端，且螺旋槳葉平面與機身十字軸平行。參考同量級的四軸飛行器，該微型四軸飛行器的螺旋槳長度選擇為55 mm[1]。

電機選擇7 mm×16 mm 空心杯有刷電機。其傳動軸直徑0.8 mm，空轉轉速38 000 r/min，額定工作電壓3.7 V，最大工作電流1 100 mA。4個電機呈“X”型分布，如圖1，對角電機位之間的距離取330 mm。空心杯電機有別于傳統電機的轉子結構，采用無鐵芯轉子，具有十分突出的節能、控制和拖動特性。有刷電機自帶換向器，通電即可工作。

慣性導航模塊由3個方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成，起到保證飛行器穩定飛行的作用。導航模塊可以計算出飛行器實時相對地面的姿態以及加速度、角速度。依據測量數據，飛行控制器可以通過算法計算出保持運動狀態時所需的旋轉力和升力，再由電子調控器保證電機輸出合適的力。

為了避開探測時遇到的障礙物，該四軸飛行器安裝了紅外反射式傳感器。它有一個紅外發射管和一個紅外接收管，紅外線發射管會發射紅外線（波長是780 nm～1 mm），紅外線照射到物體后就會被反射回來由另一個接收管接收到。通過距離的測定，飛行器就能有效地避開障礙物，提高探測效率。

為了提高探測的精確性，還可以采用檢測反射光強度的方法進行檢驗[2]。其原理是把調制后的發射信號經過紅外線發射管發射出去，由光敏三級管接收。用戶可以設定紅外反射式光電傳感器接收端的輸出電壓達到某一閾值時作為檢測到目標的界限，通過調節輸出電壓的閥值可實現檢測不同距離的物體。

為了應對不同情況的探測安防任務，飛行器可以根據實際情況搭載不同的傳感器檢測裝置，如氣敏傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器和高清的攝像頭拍攝裝置，并配備相應的信號處理電路。傳感器采集相關的信號進行處理，再傳輸到電腦進行各類轉換，以此完成各類探測安防任務。系統微控制器選用STM32微控制器[3]。

2 運動分析

2.1 基本原理

四軸飛行器具有6個活動自由度，即沿3個坐標軸做平移和旋轉的動作，但是它只有4個控制自由度（4個電機的轉速）的系統，因為控制自由度不等于活動自由度，所以四軸飛行器是欠驅動系統。但是對于姿態控制本身（分別沿3個坐標軸做旋轉動作），四軸飛行器是完整驅動（控制自由度等于活動自由度）的。

四軸飛行器的基本運動原理為：電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。

避障的工作原理是：紅外反射式傳感器檢測到障礙物后，將障礙物位置的信號送入單片機；單片機進行程序處理后，根據不同的障礙物位置信號輸出相應的控制信號驅動電機；最后電機驅動電路輸出不同PWM信號，使得左邊兩個和右邊兩個電機產生速度差，從而實現轉向，達到自動避障的目的。

2.2 基本運動

微型探測安防智能四軸飛行器包含4種基本的運動方式：垂直運動、俯仰運動、滾轉運動和偏航運動。

垂直運動：同時增加4個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大。當總拉力大于整機重量，飛行器便離地垂直上升。反之，同時減小4個電機的輸出功率，四飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，旋翼產生的升力等于飛行器自重，飛行器保持懸停狀態。垂直運動中四旋翼轉速必須同步增加或減小。

俯仰運動：電機2、電機4轉速不變的前提下，電機1轉速上升，電機3轉速下降（為了不因為旋翼轉速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉速改變量的大小應相等），由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉；同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉。

滾轉運動：同俯仰運動的原理相同，保持電機1、電機3轉速不變的前提下，改變電機2和電機4的轉速，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現飛行器的滾轉運動。

偏航運動：由于空氣阻力作用，旋翼轉動時會形成與轉動方向相反的反扭矩。當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，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軸轉動，實現飛行器的偏航運動，轉向與電機1、電機3的轉向相反。因為電機的總升力不變，飛機不會發生垂直運動。

3 姿態測量算法的選擇

飛行姿態是真實飛行物體與參考坐標系之間的角度關系，通過姿態的測量可以根據實際情況調整飛行器，保持穩定的飛行狀態。加速度傳感器測量由物體重力加速度引起的加速度量，角速度傳感器（陀螺儀）用來測量一段時間內角度變化速率。但因為電機持續工作使飛行器產生較大震動，加速度傳感器的測量會受到很大噪聲（震動及加速運動）影響，而角速度傳感器（陀螺儀）因為自身的旋轉也會有較大的誤差積累，所以必須采用一種融合算法得到相對更準確的數據。

4 結語

結合紅外反射式傳感器，可以有效地探測障礙物，實現飛行器的自動避障，有利于對復雜危險環境的探測。根據實際需要，該微型四軸飛行器可加載各類傳感器，進行探測安防。飛行器的運動由垂直運動、俯仰運動、滾轉運動和偏航運動4種基本運動組合而成，可以滿足各種環境的需求。通過加速度傳感器和角速度傳感器（陀螺儀）可以實時測量飛行數據，調整飛行狀態。該文也通過查閱資料找到一種較好的融合算法，可以得到更精確的數據來調整飛行狀態。

參考文獻

[1] 陳振興.基于STM32的微型四軸飛行器研究與設計[D].河北工業大學，2013.

[2] 閆錦龍.帶自動避障系統的智能四軸飛行器的設計[D].安徽大學，2014.

[3] 叢吉，王立忠，宋揚，等.多功能探測安防智能四軸飛行器的研制[J].高師理科學刊，2014（1）：41-43.