四旋翼飛行器防風減震設計

史晨健

（上海工程技術大學，上海201620）

多旋翼飛行器具有體積小、輕便、易隱藏等特點,可以在復雜環境下執行監視、偵察等任務,具有廣闊的軍事和民用前景,在航拍、救滅、農業等各個領域內都得到了廣泛的關注與應用[1-2]。與此同時, 它還是火星探測無人飛行器的重要研究方向之一,另外其優異的機動性、操作簡單、成本相對低廉,更是成為各大科研機構所青睞。

然而,旋翼飛行器在高空飛行時容易受到大風的干擾,容易抖動,從而導致飛行器不穩定[3]。故本文以四旋翼飛行器為研究對象,對機身結構進行改進,將每個旋翼與機身連接部分設計新的防風緩沖裝置,同時與電子防風擾系統相結合,極大地提高了飛行器飛行時的穩定性,增強了飛行器的防風防干擾性能。

四旋翼飛行器只能在廣闊的空間內長距離移動, 但無法實現狹隘的多障礙空間內短距離移動。為了實現飛行器的短距離移動,故在飛行器的下機身增加了可移動的機械控制結構。其中機械控制結構一般采取的方式有輪式、履帶式[4],但是輪式和履帶式機械結構無法適應惡劣地形, 本文設計一種多足機械結構有多個可以自由移動的腿,每個腿部具有兩個自由度,可以通過調節腿部的伸縮程度來適應不同情況的地面[5]。

1 飛行器總體結構設計

帶防風減震的四旋翼飛行器總體結構如圖1。

圖1 飛行器總體結構

圖中四旋翼飛行器, 通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速,實現升力的變化,從而控制飛行器的姿態和位置;四旋翼的電機朝上安裝方式,降低了旋翼降落階段螺旋槳觸底的可能性;機身板上裝載飛行控制板,包括陀螺儀、加速度計、磁羅盤、氣壓計等;機臂上裝有自適應防風減震系統;下機身機構模仿蜘蛛等六足爬行動物,設計出六足機器人的二自由度腿機構,同時充當起落架。

2 自適應防風減震系統

2.1 減震器設計

自適應防風減震器是由汽車減震支架獲取的靈感,與之類似的結構已廣泛應用于汽車中,該結構對汽車的減振效果良好,相關理論及設計已成熟。為保證無人機能抵抗風力干擾,參考類似結構,設計無人機防風減振系統如圖2,由彈簧上支座1、下支座3、夾持彈簧2。安裝套卡緊阻尼減振器8,與連接叉5 固連。連接叉5 連接擺臂7 與旋翼臂6 組成。微型阻尼減振器與減振彈簧同軸心,當突然有風力加載對旋翼臂6 作用時,旋翼臂6 與連接叉5 會發生平面移動, 將平面移動分解為兩個相互垂直的方向的移動, 將兩個移動利用微型阻尼減振器8 與減振彈簧2 削弱,使機身不會發生劇烈和瞬時的方向變化, 對飛機的航姿影響最小。其中擺臂7 會隨著連接叉5 的平面移動而擺動,擺臂7 的使用一是作為旋翼臂6 的延伸,增加整個機體的強度。二是限制連接叉5 垂直方向的運動,防止旋翼沿垂直方向跳動,影響飛機性能。當風吹向旋翼臂6 一側,擺臂7 與連接叉5 發生平面移動,擺臂7 擺動。這樣,連接叉5 一端前進,一端后退,一組減振系統中的兩個減振彈簧一個受拉一個受壓。為保證四個旋翼在受到風力干擾時,整機的航姿不受影響,整機共安裝四個彼此獨立的減振系統。

圖2 無人機減震器

減振彈簧是常用的彈性元件, 廣泛應用于各種振動設備,具有穩定性好,噪音低,隔振效果好,使用壽命長等優點。當風力加載時,減振彈簧會不斷振動,這會引起整體機身的不斷振動,這對于飛行中的飛機無法接受的。因此,需要在減振彈簧運動的過程中增加一定量的阻力,使減振彈簧的振動迅速衰減。采用微型阻尼減振器就能實現快速衰減彈簧振動的目的, 阻尼力會將機身因風擾產生的振動能轉化為熱能, 通過微型阻尼減振器的外殼耗散到大氣中去。微型阻尼減振器體積小,但其力度大、耗材少、成本低,非常適合在無人機上安裝使用。阻尼減振器的阻尼力越大,振動消除得越快,但過大的阻尼力會導致與其并聯的減振彈簧的作用不能充分發揮,甚至導致機體零件損壞。阻尼減振器要與減振彈簧匹配, 這就對所使用的阻尼減振器提出了更高的要求。在減振彈簧壓縮行程內,阻尼減振器的阻尼力應較小,使減振彈簧的作用充分發揮,充分利用減振彈簧的彈性來消除沖擊。在減振彈簧伸張行程內,阻尼減振器的阻尼力應較大,抑制彈簧的振動,迅速減振。當旋翼臂相對于機身發生較大的運動,兩者的相對速度過大時, 阻尼減振器產生的阻尼力要始終保持在一定的范圍內, 避免因承受過大的沖擊載荷而導致損壞、功能失效。

2.2 電子防風擾系統

當風力范圍超過自適應防風減震系統作用范圍時, 采用電子防風擾系統。電子防風擾任務依靠飛行器底部吊艙中安裝的風擾動檢測裝置、傾角傳感器、風向檢測裝置以及電機功率控制器完成。

風擾動檢測裝置是用于檢測無人機是否受到風擾動的風擾,其中包含了成對的超聲波傳感器,其中每對包括一個超聲波發射器,另一個接收超聲波的接收器,超聲波接收器中有超聲流量計計算超聲波流量[6]。每當超聲波流發射后,若受到風力干擾,則超生波受到干擾, 則到達超聲波接收器的超聲波會因為風擾而流量減小。故可根據超聲波流量是否超過預設標定值范圍來判斷是否存在風擾。

傾角感應裝置主要用于測量無人機機身與地面的傾角。傾角感應裝置包括傾角傳感器, 無人機姿態傳感器等主要組成部分。姿態傳感器是基于MEMS 技術的高性能三維運動姿態測量系統,包含二軸陀螺儀、三軸加速度器、三軸電子羅盤等運動傳感器,通過內嵌的低功耗ARM處理器得到經過溫度補償后的三維姿態與方位等數據, 利用基于四元數的三維算法和特殊數據融合技術,實時輸出以四元數、歐拉角表示的零漂移三維姿態方位數據。姿態傳感器將采樣到的數據進行數據整理、濾波、計算,并結合傾角傳感器數據融合后得出無人機實時姿態, 是否因為風擾而導致機身不平穩。

風向檢測裝置用于根據風擾動檢測結果以及所述傾角判斷風向的風向檢測裝置;確定風向為最近端,稍遠端和最遠端等,并將數據調理信號輸送至控制器。電機功率控制器將風向檢測傳感器調理信號和三維姿態數據整合調節為旋翼電機的功率強度,所述風擾作用力值和電機功率成正比。如迎風最近端的旋翼受到的風擾作用力最大,為保證無人機保持平衡,需要調節此電機功率為最大變化量,以此來抵消風擾作用力的影響,達到平行于地面飛行。同理,其余旋翼控制電機根據風向檢測裝置分別通過控制器改變相應功率。

電機功率控制器連接無人機飛行主控制器, 飛行主控制器接收到其信息后解算并更新俯仰、滾轉和偏航姿態角控制跟蹤指令[7],這樣飛行器中減震防風系統與飛控系統相結合,使得無人機在風擾動的情況下能實現零抖動, 加強飛行器穩定性和靈活性。

3 六足機械結構

為了適應各種崎嶇路面,本飛行器的六足機械結構設計[8],主要參考了自然界中蜘蛛腿的分布形式, 蜘蛛腿每條腿上有三個主動關節,對于飛行器來說,機體自身的重量直接關系到飛行器的負載能力和續航能力,因此本設計采用兩自由度腿結構,通過采用連桿結構, 可用兩個主動關節來實現該飛行器在陸地行走時所需的基本足端軌跡,和三自由度腿結構構相比,節省了4 個舵機。

該六足機械腿部采用了雙搖桿機構,其中4 是六足機械退的小腿部分,3 是大腿部分,與兩個舵機2 連接,構成了腿機構的兩個自由度,其中一個自由度決定六足機械腿的前進方向的運動,另一個則決定側向運動,六足沿機身兩側對稱分布,與機體相連的旋轉關節呈六邊形狀分布, 來保證行走時整個飛行器的穩定性和靈活性。行走時六足機械結構如圖3。

圖3 行走時六足機械結構

當飛行器處于飛行狀態時,為了保證姿態的穩定性,采用可收縮性機械腿的結構,各關節的驅動采用數字伺服舵機完成,舵機可以控制關節旋轉的角度和速度。除此之外,腿機構在飛行模式時,還利用了雙搖桿機構的機械干涉位置,讓電機軸和機身垂直,防止在升力作用下,舵機位置被拉偏,從而造成有效力矩的相互抵消和干擾力矩的形成,以此來幫助飛行器保持機身姿態。飛行時六足機械結構如圖4。

圖4 飛行時六足機械結構

4 結論

本文介紹了一種飛行器防風帶減震系統,包括機身平臺、減振系統、舵機和足部運動部件。

飛行器與機器人相結合,可實現陸空兩棲作業,應用范圍廣泛;借鑒蜘蛛的六足機構,抓地牢固,地面爬行時靈活度高,便于調整行走方向,可適應復雜地形;降落過程中,機械足可張開,充當起落架;陸地行走模式時,機械足長,使整機底盤升高,通過性強;使用彈簧減震器,從機械結構方面減弱電機振動和突變風力載荷對飛機航姿的干擾;除機械減震防風擾系統之外,還搭載有電子防風擾系統,當風力過大,超出機械防風擾系統的承受能力范圍,電子防風擾系統可通過收集各種傳感器收集的數據,調整相關飛控參數,自主決策調整航姿。