具有超視距巡航的四旋翼無人機研制

周 超，劉長華（中國民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307）

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具有超視距巡航的四旋翼無人機研制

周 超，劉長華
（中國民用航空飛行學(xué)院民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地，四川廣漢，618307）

本文以四旋翼作為飛行平臺，用arduino mege 2560 單片機，三軸陀螺儀MUP6000，三軸加速度儀MUP6000，高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS5611，三軸磁力計，高精度6M-GPS，3DR RADIO與無人機實時通信，實現(xiàn)對無人機姿態(tài)的控制和地理坐標的檢控。以APM無人機開源程序為基礎(chǔ)，修改程序代碼，依靠三軸陀螺儀和三軸加速度儀對無人機的姿態(tài)進行修正，利用GPS和氣壓高度計的信號對無人機的航向、位置進行修正，使無人機的飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。實際測試表明：該無人機具有一鍵返航、一鍵定高、預(yù)先設(shè)置航點飛行、地面站實時監(jiān)控和超視距巡航等功能，能夠用于航拍航測等領(lǐng)域。

無人機；四旋翼；APM；超視距；巡航

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。與傳統(tǒng)的無線電遙控飛機的區(qū)別，無人機能通過其內(nèi)部設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)自主飛行。由于無人機成本相對較低、無人員傷亡風(fēng)險、生存能力強、機動性能好、使用方便等優(yōu)勢，除軍事用途外，在航拍航測、農(nóng)業(yè)植保、高壓巡線、油田管路檢查、交通管理、森林防火巡查、消防、毒氣勘察、緝毒和應(yīng)急救援、救護等民用領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。國內(nèi)無人機近幾年來發(fā)展比較快，特別是消費級無人機正在以極快的速度進入人們的眼球。本文以開源飛控APM為基礎(chǔ)，通過修改程序代碼，設(shè)計制作一款具有預(yù)設(shè)航線、自動起降、一鍵返航和超視距飛行的四旋翼無人機，搭載不同的任務(wù)載荷，能夠廣泛用于航拍航測、高壓巡線、交通監(jiān)管等領(lǐng)域，具有一定的實用價值。

1　四旋翼機架及電源

本文選用軸距700MM的中型四軸機架，空機架重量為600g，四根支撐桿采用的是16×14的3K斜紋碳桿，中心板為玻纖板。

四旋翼飛行時需要由旋翼提供升力克服無人機自身的重力進行飛行，所以特別消耗能量，一般采用聚合物鋰電池（Lipolymer，又稱高分子鋰電池）進行供電。相對以前的電池來說，鋰聚合物電池具有能量高、小型化、輕量化等特點，是一種化學(xué)性質(zhì)的電池。由于四旋翼的四個電機的功率較大，我們采用的C數(shù)較高的電池以保證電池能輸出足夠的電流確保飛機能正常飛行。要滿足這樣的條件，電池就會比較大同時也會比較重。本文選用格氏 6S 10000毫安鋰電池，它是電是由6塊電電芯串聯(lián)而成的電池，標稱電壓22.2V，電壓很高。

2　飛控

飛控板相當于無人機的大腦，控制無人機的一切運動。本文采用APM飛控板，它是國外的一個開源飛控系統(tǒng)，能夠支持固定翼，直升機，3軸，4軸，6軸飛行器。APM飛控板硬件構(gòu)成：飛控主芯片Atmega1280/2560，PPM解碼芯片Atmega168/328，雙軸陀螺、單軸陀螺、三軸加速度計等慣性測量單元，GPS模塊，三軸磁力計模塊HMC5843/5883，空壓計BMP085，ADS7844，電源芯片，usb電平轉(zhuǎn)換芯片等。

3　四旋翼動力系統(tǒng)

四旋翼驅(qū)動模塊包括：螺旋槳，電機，電調(diào)。

本文設(shè)計的無人機需要執(zhí)行較遠的航程和較大飛行高度，則必須具有一定抗風(fēng)性。因此在設(shè)計階段考慮較大的動力冗余，最終選用大電機，配大的螺旋槳。

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。這樣的電機會在實際使用時沒有電刷的損耗，電機更加耐用。基于上述原因，本文選用無刷電機。

電機與螺旋槳需要合理搭配才能達到設(shè)計的初衷，具體原理闡述如下：螺旋槳越大，升力就越大，但對應(yīng)需要更大的力量來驅(qū)動；螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大；電機的kv越小，轉(zhuǎn)動力量就越大。綜上所述，大螺旋槳就需要用低kv電機，小螺旋槳就需要高kv電機，因為需要用轉(zhuǎn)速來彌補升力不足。如果高kv帶大槳，力量不夠，就很困難，實際還是低俗運轉(zhuǎn)，電機和電調(diào)很容易燒掉。如果低kv帶小槳，完全沒有問題，但升力不夠，可能造成無法起飛。基于上述考慮，本文選用kv400的朗宇4110s無刷電機，搭配DJI15寸槳。單軸最大輸出為2870g，四軸最大起飛重量11480g，飛機空載（飛行器+電池）重量2500g，在航拍領(lǐng)域，足以掛載微單相機。

電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮。钥刂齐姍C的轉(zhuǎn)速。因為電機電流很大，通常每個電機正常工作時，平均有3a左右的電流，如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流，另外飛控板本身也沒有驅(qū)動無刷電機的功能。同時電調(diào)在四軸當中還充當了電壓變化器的作用，將22.2v的電壓變?yōu)?v為飛控板和遙控器供電。結(jié)合電機和螺旋槳方案，本文選用好盈30A電調(diào)。

本文設(shè)計的四旋翼無人機如圖1所示。

圖1　四旋翼無人機

4　測試結(jié)果

4.1飛行穩(wěn)定測試

通過從三軸陀螺儀MUP6000采集的數(shù)據(jù)進行解算，得出無人機的姿態(tài)，并利用算法調(diào)整無人機姿態(tài)使其飛行平穩(wěn)。但由于每個旋翼槳自身的參數(shù)性能有所不同，因此需要通過調(diào)整PID來使飛機變得穩(wěn)定。如圖2為IMU采集的無人機X軸的加速度數(shù)據(jù)。可以看出無人機X軸的速度基本控制在5m/s范圍內(nèi)時，X軸的加速度很穩(wěn)定。從實際目測看，無人機的姿態(tài)非常穩(wěn)定，基本沒有較大的波動，能夠穩(wěn)定飛行。

4.2飛行高度測試

本文采用BMP085氣壓高度計測量高度，在高度鎖定模式（ALT-HOLD）下測試。由于氣壓高度計易受環(huán)境影響，無人機周圍的氣流和溫度對氣壓高度的影響很大。測試中，無人機高度上下波動較大，波動在±40cm范圍內(nèi)。

實際使用中，如果在執(zhí)行航點飛行，無人機以一定速度巡航，飛控板可以使用GPS測得的高度進行融合，同時利用慣性導(dǎo)航測得加速度參數(shù)進行修正，能夠?qū)崿F(xiàn)高度基本穩(wěn)定。

4.3自動駕駛飛行

自動航點飛行測試如圖3所示，無人機會以預(yù)設(shè)的飛行速度，飛往我們設(shè)置的3D航點（航點信息包括經(jīng)緯度和高度），整個飛行過程十分流暢，沒有出現(xiàn)停滯情況，且高度控制比較精確。從地面站上看到，飛行軌跡基本與預(yù)設(shè)航線吻合，而且位置顯示比較準確，在GPS收星良好的情況下，誤差在1-2m的范圍內(nèi)。

可能出現(xiàn)的問題：如果飛行速度過快，轉(zhuǎn)彎時傾角較大。在完成飛行任務(wù)時，到達最后一個航點后，無人機會急劇減速，造成較大的傾角，有炸雞隱患。以上問題，可以通過調(diào)慢飛機飛行速度來解決，目前測試中使用的5m/s不會造成較大傾角。

圖3　自動航點飛行測試

5　結(jié)論

本文以四旋翼機架為飛行平臺，采用開源飛控APM，選用格氏 6S 10000毫安鋰電池、朗宇4110s無刷電機、搭配DJI15寸槳和好盈30A電調(diào)，制作出一款四旋翼無人機。飛行測試結(jié)果表明：該無人機能夠?qū)崿F(xiàn)自動返航、定高、預(yù)先設(shè)置航點飛行、地面

圖2無人機X軸加速度

站實時監(jiān)控和超視距巡航等功能，在航拍航測領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

［1］ 孫毅.無人機駕駛員航空知識手冊.北京：中國民航出版社，2014

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［3］ 詹鐳， 賀人慶， 謝陽等.基于微型四旋翼無人機的智能導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)， 2011， 34（6）：1-3.

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［6］ 李國棟， 宋自立， 吳華等.四旋翼無人機增穩(wěn)混合控制器設(shè)計［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2013（5）：86-90.

周超（1980.9-），男，漢族，安徽省濉溪縣人，博士，副教授，研究方向：無人機、電磁環(huán)境效應(yīng)。

Development of four rotor UAV with over sight Cruise

Zhou Chao，Liu Changhua
（Civil aviation flight technology and flight safety research base of Civil Aviation Flight University Guanghan Sichuan，618307）

This paper on the quad rotor as a flying platform，Arduino mege 2560 microcontroller，three-axis gyroscope MUP6000， triaxial accelerometer MUP6000，high precision digital air pressure sensor ms5611 and three axis magnetometer and high precision 6M-GPS，3DR radio and no real-time human-computer communication，the realization of UAV attitude control and the geographical coordinates of the prosecution.APM UAV open source based，modify the program code，rely on three axis gyro and three axis accelerometer to correct the attitude of UAV，carries on the revision to the UAV heading and position using GPS and barometric altimeter signal，UAV flight attitude is more stable.The actual test results show： the UAV has a key to return，a key set high，set in advance Airlines flight，ground station real-time monitoring and oth cruise function，for aerial photography aerial and other fields.

UAV；four rotor；APM；over the horizon， cruise

民航飛行技術(shù)與飛行安全科研基地開放基金項目（F2014KF06，F(xiàn)2015KF02）資助。