八旋翼海岸救生無人機

楊信錕+鄭元華

摘 要：八旋翼海岸救生無人機是具有物品投放功能的多旋翼無人機。八旋翼飛行器有八個螺旋槳，配備帶云臺攝像機和機械手，攝像機可實現航拍取景和空中監控等飛行任務，機械手可實現夾持、運輸、投放物品任務。本文對此無人機的機械結構、系統設計、地面站等方面進行了介紹。

關鍵詞：多旋翼；無人機；APM；物品投放

中圖分類號：V275.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0062-02

八旋翼海岸救生無人機是一種多旋翼飛行器，傘形折疊結構，可單手提起，能在攜帶狀態與工作狀態之間迅速轉換。采用垂直起降，對起飛環境要求較低，能在狹窄、惡劣的環境下執行任務。可執行空中監控取景、地形勘探、救生等飛行任務。海岸救生無人機搭配GPS、指南針模塊進行飛行?？蓪崿F定點懸停、失控返航、航向鎖定、返航點鎖定等飛行控制功能。通過地面站可以設定航點進行全自動巡航。攝像頭可將實時畫面發送會地面站，一旦發現游泳者有異狀可以立即施救，投放救生圈。

1 機械結構

采用框架結構保證穩固的機體。機身采用碳纖維材料，利用雕刻機切割組裝形成機身。碳纖維具有抗拉強度高、質量輕、耐高溫、耐摩擦、導電、導熱、膨脹系數小等特性；基于以上特性，碳纖維與金屬、樹脂、陶瓷等復合形成的材料，具有高比模量、高比強度、導熱、導電、耐疲勞等多種顯著優勢，在現代工業應用廣泛[1]。

機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電機動力。本飛行器采用八軸結構，結構較為復雜。主控板位于中心，負責接收發射機的控制信號，收到信號后，通過控制總線分別控制八個電調，電調再將控制命令轉化為電機轉速，以達到控制要求。按照機載飛控系統來確定螺旋槳的正反與電機轉動的順序，機械結構上只需均勻分布重量，八電機保持在同一水平線上。

2 設備構成

見圖1。電子設備包括飛行控制系統、動力系統、通信視頻模塊、導航系統、物品投放系統。飛行控制是整個控制系統的基礎，核心組件就是飛行控制器，決定飛行的平衡及飛行狀態，完成既定飛行任務。通信視頻模塊是無人機的眼睛，導航系統是無人機的耳朵，物品投放系統是無人機的手臂。動力系統包括電池、無刷控制器、無刷電機、螺旋槳四個部分。電池采用高儲能鋰電池。鋰離子電池具有工作電壓高、無記憶效應、重量輕、能量密度大、循環壽命長和無污染等優點，已成為電子產品電源的主力。蓄電池同時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境適應性[2]。

無刷控制器是無刷電機的驅動設備，作用是根據信號的變化來改變電機轉速變化。此控制器可作為控制裝置，為三相無刷電機提供封閉回路的換向控制信號，對電機速度進行控制的同時保護電機，無刷電機的控制器復雜度明顯提升。因機理特點，無刷電機必須與無刷控制器協調工作。因為具備可維護性高、功率輸出能力強等特點，無刷控制器成為電動航模的主要驅動機構。

通信與視頻模塊中搭載攝像機、云臺、無線收發器等設備；對面站對飛行狀態進行實時檢測。攝像機用于收集需要捕捉的圖像信息。云臺作為攝像機的自動穩定系統，同時滿足多個自由度的運動。在圖像傳送回地面之前，飛行信息以文字形式，通過飛控系統的圖像疊加器（OSD）疊加在圖像上；地面控制人員通過監控屏幕看到實時圖像，觀察飛機的狀態信息。

體內置三軸慣導陀螺、GPS、高度計等精密傳感器；具有垂直起降、自動駕駛飛行、GPS懸停、Carefree操控等功能。

物品投放系統主要由機械手構成。機械手由驅動與執行機構、控制系統組成。根據被抓持物件的重量、尺寸、形狀、材料與作業要求而具有多種結構，如夾持型、吸附型與托持型等。手部基于運動機構完成各種轉動、移動或復合運動，以此實現既定動作，改變被抓持物件的位置與姿勢。通過對機械手每個電機的控制，控制系統完成動作要求；通過接收傳感器反饋的信息，形成穩定的閉環控制?？刂葡到y所要控制的功能由主控芯片編程實現[3]。本無人機的機械手采用托持型，運動機構主要由舵機來實現。舵機型號不同，所能托持的重量也不一樣。

3 飛控系統

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

ArduPilotMega自動駕駛儀MCU采用8bitATME GA2560，整合三軸陀螺儀與三軸加速度的MEMS傳感器MPU6000、高度測量采用高精度數字空氣壓力傳感器MS-5611、16MB的存儲器AT45DB161D及HMC5883 三軸磁力計。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路電調電機+3路云臺增穩）。如圖2所示。

APM有OSD模塊，可將速度、姿態、模式等重要數據疊加到圖像上實時回傳。

4 結語

八旋翼海岸救生無人機可實現精準投放藥品、急救包、救生衣、救生艇等物品，可協助消防隊、救援隊等機構共同實救，改變救生理念，有很強的現實意義。

參考文獻

[1]黎小平，張小平，王紅偉.碳纖維的發展及其應用現狀[J].高科技纖維與應用，2005，5：14-40.

[2]豐震河，黃莉，宋縉華，王可，解晶瑩.高效儲能鋰電池技術研究.高分辨率對地觀測學術年會，2013.

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