一種具備爬樓功能的路空兩用無人機的設計

羅漢杰 倪 虹 施嘉濠 伍增渲

(杭州師范大學錢江學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

旋翼飛行器隸屬于無人機技術領域的一個分支，也被稱為無人駕駛飛機(簡稱UAV)。隨著中國制造2025和互聯網+，飛行器技術發展越來越成熟。其中旋翼飛行器制作成本低，安全性能高，不僅應用于軍事上的偵察機和無人靶機，還被應用于民用方面。

在如今的市場上，傳統的多旋翼飛行器大部分采用固定槳距的螺旋槳，通過調整電機的PWM波控制螺旋的轉向和轉速，產生相互抵消的反槳扭矩來控制飛行器的各種姿態。其中的路空兩用無人機功能相比較而言更多，但傳統的路空兩用無人機大多數為簡單的輪動功能加上飛行功能，功能單一，并且變形之間轉換機構過于復雜難以適用于多種場合，只有簡單的物流運輸、空中拍攝、播種等。特別是面對地形復雜多變的環境中無法正常使用，不夠穩定，局限性也大，不能應用于多種場合。

1 路空兩用無人機結構設計概念總布局

一種具備爬樓功能的旋翼飛行器是基于arduino2560微型控制板，搭接樹莓派利用Opencv進行圖像處理以及多種傳感器組合而成。該旋翼飛行器具備輪動功能、爬樓功能和飛行功能。特點在于該旋翼飛行器輪動過程具備全向輪功能，即輪動方向360°全方位可調并且輪動過程中具備2種狀態：一個是對稱的四輪平動狀態。另一個是六輪爬樓狀態，并且該旋翼飛行器具備的爬樓功能，且爬樓過程中，6個車輪的間距可以根據樓梯高度及間距調整，可適應不同類型樓梯同時旋翼飛行器的槳距長度、槳距角度和螺旋槳位置均可360°無死角的調節，有利于通過槳距調節增強穩定性，增加狹小涵道通過性和空曠地帶抗風能力，同時該旋翼飛行器具備的折疊功能，具有便攜性并且結構精煉，整體重量較小。

2 路空飛兩用無人機結構設計組成

該路空兩用無人機結構，包括機體、變形支臂、控制器和無線模塊。機體包括中心電機、機架、主齒輪、副齒輪和變向齒輪，主要功能是為飛行器提供驅動力和路空的切換作用。變形支臂則是包括第一關節架、第二關節架、第一變形驅動組件、第三關節架、第二變形驅動組件、鎖止組件和行進動力組件，主要功能用與飛行器的各種模式切換作用，根據收集到的數據進行模式的切換來到達使用要求。

3 路空兩用無人機的各種模式設計及運行方式

3.1 飛行模式的運行方式

在飛行模式下如圖1，路空飛行器基本姿態為X模式：通過arduino2560的微控制板控制8個無刷電機的轉速，達到飛行器在飛行模式下的8種狀態，分別為垂直上升狀態、垂直下降狀態、向前狀態、向后狀態、向左狀態、向右狀態、順時針改航向狀態、順時針改航向狀態。如圖2為8種狀態的運行方法：當旋翼飛行器穩定后，A、B、C、D 4個電機同時加速時為垂直上升狀態，同時減速時為垂直下降狀態；當A、B減速，C、D加速則為向前狀態；當A、B加速，C、D減速則為向后狀態；當A、D減速，B、C加速則為向左狀態；當A、D加速，B、C減速則為向右狀態；當A、C減速，B、D加速則為順時針改航向狀態；當A、C加速，B、D減速則為順時針改航向狀態；優點在于利用8個動力電機轉動得到更大的升力，更加容易使得飛行器起飛，達到飛行模式的8種狀態。并且通過Opencv所傳輸的信息處理變形為其他模式。如當路空兩用的旋翼飛行器在空中需要穿過一個通道(例如樹枝與樹枝之間的間隙)時，陸空兩用的旋翼飛行器進行飛行折疊，(折疊模式如圖3)，以避免在穿過時發生碰撞。

圖1 飛行模式

圖2 8種狀態的運行方法

圖3 折疊模式

3.2 行走模式的運行發送

當飛行模式通過Opencv所發出的信號，需變形為行走模式時，如圖4所示，通過中心電機轉動，驅動各個變形支臂同步轉動，并且向下翻轉，使得兩用螺旋槳處于垂直于行進方向。此時8個兩用螺旋槳均與地面接觸，電機轉動即可驅動機架在地面上行進，實現路空兩用的功能。并且可通過PWM對電機的轉速控制，來控制行走模式時飛行器的速度，可適應于更多的場合下。

3.3 爬樓模式

當行走模式時面對地形復雜多變的環境中無法正常使用，通過Opencv發出的數據，變形為爬樓模式，如圖5所示，前變形支臂分為2根支架各自成θ角，60°≤θ≤90°，使得兩支臂上均形成能夠自由擺動的V形輪架。后變形支臂的2根一側轉動，使得左后支臂及右后支臂內的第三支架與豎直方向呈0.5θ角；此時該地空兩用的旋翼飛行器呈現六輪狀態，且位于前左右2組車輪分別位于2個能夠自由擺動的V形支架上；當V形支架上的一個車輪抵住臺階并轉動時，將沿臺階向上滾動(向上滾動的過程中V形支架發生轉動)。因此，爬樓模式的地空兩用的旋翼飛行器能夠沿著臺階向上行駛，適應于各種地形復雜多變的環境。

圖4 行走模式

圖5 爬樓模式

4 路空兩用無人機硬件設計

路空兩用無人機可通過變形驅動組達到各種模式的變形。該旋翼飛行器的控制主要在幾種的模式變形中，通過Opencv傳輸的信號，面對各種不同的環境中實現飛行器不同的功能變換。其該旋翼飛行器控制包括飛行模式、行走模式、爬樓模式之間變形。所需硬件如圖6。

圖6 硬件框架

4.1 飛行控制模塊

路空兩用無人機的飛行控制模塊選用APM飛控，該飛控模塊為兩級PID控制，其中一級為導航，另一級為控制。APM飛控是由微型處理器以及傳感器組合而成。當處于飛行模式時，遇到突發情況，外界干擾等一些原因導致兩用飛行器處于不平衡狀態時，飛行器是無法飛行的，這是APM飛控微處理器通過各傳感器實時發出的信號，進行采集，運算，采用慣導算法計算出姿態角，通過PID計算，發出PWM信號，控制各無刷電機轉速，到達飛行模式的8種狀態。圖7為APM飛控原理圖。

4.2 電機驅動模塊

兩用無人機的電機驅動模塊使用的是ZD-M1A步進驅動器(如圖8)，工作原理在時序通電時，通過脈沖信號來控制步進電機的轉速以及加速度，收到一個脈沖轉動一個角位移，通過脈沖個數及頻率控制。當Opencv發出信號，通過APM飛控計算出的姿態角度，控制步進電機的轉速，完成不同的模式以及相應的功能。該驅動器不需外部設備加以供電，重量輕，方便使用。ZD-M1A步進電機驅動器的接線圖如圖9。

圖7 飛控原理圖

圖8 ZD-MIA步進電機驅動模塊

圖9 ZD-MIA步進電機驅動器接線圖

4.3 通信系統

路空兩用無人機在通信方面主要在于arduino 2560與樹莓派Raspberry Pi 3B+之間的通信，通過Opencv進行圖像識別判斷無人機的行進模式，通過Opencv發出的通信信號(波特率一般為9600)，等待主控板arduino 2560進行接收，接收到的信號通過PWM信號來控制各電機的運轉，到達相應模式、相應狀態和相應功能。

5 路空兩用無人機的展望

一種具有爬樓功能路空兩用無人機以arduino2560微型控制板為主控制板，通過與樹莓派進行通信，利用Opencv進行圖像識別發出信號控制各模塊變形各種模式。其最大的特點是爬樓功能，可在復雜多變的地形上應用，無論是凹坑還是凸起都可實現陸地變形功能，并且在遇到樓梯時，四輪切換為六輪爬樓姿態，并且具有全向輪的功能360°無死角的爬樓，無需過多的角度控制即可爬樓，易控制，有利于通過槳距調節增強穩定性，也可以根據樓梯的高度進行變換，兩變形支臂可切換相應的角度θ，目前可轉動的角度只能在60°≤θ≤90°，只能針對社區居民樓的樓梯高度進行切換，還未實現對于所有樓梯的爬樓功能，缺少對變形支臂的長度無法根據不同的樓梯高度切換，需往后通過機械結構的設計實現來完善爬樓功能。