基于四軸飛行器管道機器人的研究與設計

濱州學院 王衛東 丁 雷 牛崧任 耿 榮

基于四軸飛行器管道機器人的研究與設計

濱州學院 王衛東 丁 雷 牛崧任 耿 榮

在我國科學技術發展速度愈來愈快之下，機器人技術得到了高速發展。而為了能夠有效應對復雜特殊的管道作業環境，同時有效提升管道作業效率與作業質量，目前已經專門為此研發出了管道機器人，隨著時間的推移，人們為了對管道機器人進行進一步的優化完善，開始嘗試將航模飛行器技術應用其中，并配合使用超聲波技術完成障礙躲避，從而使得管道機器人可以更好地完成相關管道作業任務。因此，本文將重點分析研究基于四軸飛行器的管道機器人。

四軸飛行器；管道機器人；超聲波避障；設計

引言

在設計管道機器人的過程當中通過積極運用四軸飛行器及其工作原理，能夠使得機器人飛行器利用超聲波進行障礙躲避，同時其運動方向、角度、高度等也更加靈活，方便操作人員使用姿態控制的方式對其飛行控制，不僅如此，管道機器人飛行器的穩定性同樣可以得到有效提升。因此本文將通過從簡單論述四軸飛行器的基本內容入手，嘗試從硬件系統和軟件系統兩個方面研究基于四軸飛行器管道機器人的研究，希望為相關研究人員提供必要參考和幫助。

一、四軸飛行器的簡要概述

（一）基本結構

通常情況下，在四軸飛行器當中主要包括三大部分，分別為軸翼和飛行器控制部分以及機身部分。在軸翼部分當中主要由正反螺旋槳、電機和其他固定的組件共同組合而成，負責為飛行器提供動力，一般會被安裝于飛行器四軸的尾端部分。而飛行器控制部分則主要包括遙控接收、主控制器以及姿態采集、超聲波避障等，一般位于飛行器四軸的中心點位置處用于對飛行器運動姿態進行有效控制。而機身部分則通常規定在旋翼和飛行器控制模塊當中，一般多由各種電機構成[1]。

（二）工作原理

作為旋翼飛行器當中的一種，自軸飛行器的運動原理基本等同于直升機的運動原理，但相比之下，其只需要承受飛行器本身以及螺旋槳產生的力和力矩。另外，四軸飛行器主要是通過利用其四個螺旋槳對各電機轉速進行調整，以完成對槳翼產生扭矩以及升力的變化，從而控制四軸飛行器能夠始終具有穩定的飛行姿態。在四軸飛行器當中，其主要可以進行上下、前后、側向以及水平轉動這四種飛行運動，均由四個螺旋槳控制轉速的方式完成飛行器的姿態控制。

二、基于四軸飛行器管道機器人的設計研究

（一）硬件系統

1.控制器

四軸飛行器管道機器人應當具備體積小、功耗低同時具有較高可靠性和良好功能等眾多優勢特點，因此在選擇控制器芯片當中，需要保障控制器的處理速度比較快，A/D轉換器不僅精度較高且能夠完全集成在飛行器內部，同時控制器還需要有充足的ROM、RAM以及多個PWM口和定時/計數器模塊。在對經濟成本以及性能、功耗等因素進行多方考慮之后，本文選擇使用ST公司最新推出的一款微處理控制器，其通過使用最新ARM構架，最高時主頻可以達到72MHz，同時其較低的成本與能耗，以及高處理性能使其能夠有效滿足四軸飛行器管道機器人的設計要求。

2.姿態檢測模塊

在姿態檢測模塊當中，為了確保飛行器能夠實現平穩飛行，通常需要磁力計、超聲波傳感器、氣壓傳感器等眾多姿態檢測器件，由其分別負責檢測各數據并及時將其傳遞至主控芯片當中，在經由主控芯片的分析之后對飛行器各旋翼轉速進行適當調整，從而保障飛行器具有正確的飛行發現和平穩的飛行姿態。但從經濟成本以及其他影響因素的角度出發，本文將在姿態測量器件當中只保留角速度傳感器、加速度傳感器以及超聲波傳感器。由這三種傳感器實時測量模擬量，并及時將轉化成數字量之后進行輸出使得用戶能夠更加精確地對控制器測量范圍和飛行器運動進行有效控制。

3.超聲波測距模塊

在超聲波傳感器當中主要有兩個超聲探頭，分別負責進行接收和發射，其在進行測距時主要是利用聲音的傳播和反射原理。超聲波傳感器通過對發出的超聲波在遇到障礙物后反射回來的具體時長進行準確測量，從而利用已知在空氣中超聲波的傳播速度，利用公式：

即可準確求出發射超聲波的點矩障礙物的距離。和其他的傳感器相比，超聲波測距傳感器具有較為精確的方向性，在進行定向超聲波發射時操作比較簡便，適用于遠距離測量。因此本文在四軸飛行器管道機器人的硬件系統設計當中選擇使用超聲波傳感器完成障礙躲避的任務。

4.無線網傳輸模塊

在當前我國通信傳輸技術不斷發展的背景之下，以WiFi為代表的無線網絡傳輸技術已經得到了廣泛的普及使用，鑒于飛行器本身小體積和低功耗的特性，在傳輸模塊當中本文將設計使用WiFi傳輸模塊，在模塊當中具有TCP/IP協議棧，使得包括以太網、無線網等在內的各個接口能夠實現任意轉換，在連接因特網的情況下可以高效完成信息數據的傳輸。通常在無障礙物情況下，無線網傳輸模塊能夠輕松完成距離大約在300米的數據傳輸，但如果有障礙物則傳輸距離大約在100米左右但是可以穿透三層墻左右的厚度，基本能夠滿足飛行器的信號和數據傳輸要求[2]。

5.設計電路板

在四軸飛行器管道機器人的設計當中，控制電路同樣需要得到相應的重視，在本文設計的飛行器控制系統當中，出于保障電路和電源穩定的原則，需要使用電源直接為槳翼電機進行穩定供電，另外考慮到控制器和各傳感器并不需要較高功率，因此本次設計的電壓選擇為3.3V，在穩壓芯片方面本文選擇的是某公司生產的電源芯片，該芯片輸出的電流最高可以達到1A，輸出電壓的最高也可達到2%的高精度，加之其具備過熱切斷和限流等功能，因此能夠較好地為飛行器控制系統提供穩定電源。

（二）軟件系統

1.總體設計

在本文設計的飛行器控制系統當中同一使用C語言進行軟件程序編寫，在系統運行之后由MPU-6050負責實時對飛行器的飛行姿態進行檢測，并將檢測得到的信息數據直接通過無線傳輸模塊反饋至主控芯片當中，而在完成飛行指令接受之后將由主控芯片負責融合姿態和超聲波傳感器等采集得到的檢測數據，并經由控制器完成相應的反饋調節，使得飛行器能夠始終保持平穩的飛行姿態。在此基礎上，通過對飛行器中各電機轉速進行解算，而在電機控制當中則主要利用PWM波。總體來說，系統在進行初始化之后，需要由傳感器進行數據采集和基準校驗，如果此時存在啟動信號則需要加載調節參數并利用超聲波測距模塊對障礙物進行判斷，如果存在障礙物則需要在對其方位進行準確判斷的同時發出相應的屏蔽控制信號；如果沒有障礙物則可以讀取控制信號和傳感器信號即可，之后需要對飛行姿態進行準確計算，最后關閉電源完成此次飛行控制。

2.避障程序

通過利用超聲波傳感器對飛行器四周是否有障礙物進行判斷，如果發現存在障礙物則需要將相關信號發送至出主芯片當中，尤其判斷出障礙物的具體方位并發送相應的避障指令，此時飛行器將按照相應的避障指令進行飛行從而完成超聲波避障。超聲波測距傳感器中的發射探頭將通過發射超聲波的方式判斷是否存在障礙物，而利用傳感器計算超聲波在遇到障礙物反射回來的時間，以及空氣中超聲波的傳播速度等對障礙物的距離進行準確測算，并由此判斷出障礙物的具體方位，在將避障信號發送到主芯片處之后，飛行器將自動進行避障飛行。但在這一過程當中，飛行器將持續進行障礙物檢測，并一直保持避障飛行姿態直至完全無法檢測出障礙物[3]。另外，如果飛行器的四周均存在障礙物，則此時飛行器將保持懸停狀態，如果檢測后發現相反方向沒有障礙物，則直接向無障礙物方向飛行，但如果檢測前后或是左右存在障礙物，則需要對另外兩個方向是否存在障礙物進行測算，如果沒有障礙物則飛行器將隨機從中選擇一個方向進行避障飛行，但如果在另外兩個方向中，仍然有一個方向存在障礙物則飛行器將直接選擇無障礙物的方向進行避障飛行。

3.調試實驗

為了檢驗本文設計的四軸飛行器管道機器人的各項性能，將對其進行調試實驗。首先實驗環境為光照合適的密閉室內，測試管道為紙質的30cm×30cm方形管道，在對機器人的各項參數進行不斷調試之后，選擇使用3.7V的鋰電池為機器人供電，并將測試距離設定為十米。經過調試實驗之后，發現四軸飛行器機器人基本能夠保持穩定的飛行姿態，但飛行器在下降至距離地面兩米之后在此上升回距離地面十米的高度需要花費較長的時間，并且在上升過程中飛行器會出現輕微的抖動情況，為此在后期我們通過對PID參數進行進一步調整測試，發現機器人在下降至距地面五米后再次上升回距地面十米的高度，并保持懸停的飛行狀態時不僅用時可以得到有效控制，同時其原本的抖動情況也大有改善。另外，在對超聲波避障功能進行測試的過程當中，我們發現本文設計的四軸飛行器管道機器人基本上能夠較好地完成靜態的自動避障，但障礙物不僅保持靜止狀態，而且避障飛行動作也相對比較簡單，后期在進行動態障礙物設置和避障飛行的測試當中，我們發現數據量迅速增加，而超聲波傳感器在進行處理的過程中速度明顯減慢，雖然最后基本能夠完成避障飛行，但需要花費較長的時間，這也意味著還需要在此對平衡算法下的PID參數進行優化調整。

三、結束語

總而言之，本文從簡要分析四軸飛行器的基本結構和工作原理入手，在此基礎之上，從硬件系統包括控制器、姿態檢測、超聲波測距、無線網傳輸等以及包括避障程序在內的軟件系統的角度，對設計基于四軸飛行器的管道機器人進行了相關研究。而后經過相應的調試實驗，進一步驗證了本文設計的管道機器人具有較好的實用性和可行性，對日后的管道作業具有一定的應用價值。

[1]張少華．基于四軸飛行器的管道機器人研究[D]．蘇州大學,2014．[2]付瑩．基于四軸飛行器的管道機器人研究[D]．哈爾濱理工大學,2015．[3]李浩蜜,任思宇,宮毅非,徐超健．基于四軸飛行器的運載機器人設計[J]．電子技術與軟件工程,2015,10:123-125．