微型探测安防智能四轴飞行器的设计

王晨懿

摘 要：四轴飞行器是一类旋翼式飞行器，已在多种领域内得到广泛应用。但现有的四周飞行器不能进行有效地自动避障，难以面对复杂多变的危险环境。该文结合红外反射式传感器，设计了一种可自动避障的微型四轴飞行器，对其基本运动进行了分析，并确定了一种对姿态测量的算法，为进一步研究打下良好的基础。

关键词：探测安防 智能 四轴飞行器

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0102-02

四轴飞行器是一类旋翼式飞行器，拥有4个相同结构螺旋桨，共同为飞行器提供动力。它具有结构简单、成本低廉、飞行稳定等特点，且技术成熟，已在多种领域内得到广泛应用。四轴飞行器可以轻松地前往危险区域进行探测，不仅节省人力资源，更提高了安全效率。但现有的多数四轴飞行器不能进行有效地自动避障，难以面对复杂多变的危险环境。

1 结构设计

主要组成部分包括机身、螺旋桨、电机、控制中心和应用模块。

机身是电机和控制中心的承载平台，也起到保证电机之间相对位置的作用。该微型四轴飞行器机身采取“X”型，即，为节省研究成本，原型机机身选择泡沫塑料板。实际成品则可采用铝合金。

螺旋桨包括两对正反桨叶，与电机一起固定在机身各轴的末端，且螺旋桨叶平面与机身十字轴平行。参考同量级的四轴飞行器，该微型四轴飞行器的螺旋桨长度选择为55 mm[1]。

电机选择7 mm×16 mm 空心杯有刷电机。其传动轴直径0.8 mm，空转转速38 000 r/min，额定工作电压3.7 V，最大工作电流1 100 mA。4个电机呈“X”型分布，如图1，对角电机位之间的距离取330 mm。空心杯电机有别于传统电机的转子结构，采用无铁芯转子，具有十分突出的节能、控制和拖动特性。有刷电机自带换向器，通电即可工作。

惯性导航模块由3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成，起到保证飞行器稳定飞行的作用。导航模块可以计算出飞行器实时相对地面的姿态以及加速度、角速度。依据测量数据，飞行控制器可以通过算法计算出保持运动状态时所需的旋转力和升力，再由电子调控器保证电机输出合适的力。

为了避开探测时遇到的障碍物，该四轴飞行器安装了红外反射式传感器。它有一个红外发射管和一个红外接收管，红外线发射管会发射红外线（波长是780 nm～1 mm），红外线照射到物体后就会被反射回来由另一个接收管接收到。通过距离的测定，飞行器就能有效地避开障碍物，提高探测效率。

为了提高探测的精确性，还可以采用检测反射光强度的方法进行检验[2]。其原理是把调制后的发射信号经过红外线发射管发射出去，由光敏三级管接收。用户可以设定红外反射式光电传感器接收端的输出电压达到某一阈值时作为检测到目标的界限，通过调节输出电压的阀值可实现检测不同距离的物体。

为了应对不同情况的探测安防任务，飞行器可以根据实际情况搭载不同的传感器检测装置，如气敏传感器、烟雾传感器、温度传感器和高清的摄像头拍摄装置，并配备相应的信号处理电路。传感器采集相关的信号进行处理，再传输到电脑进行各类转换，以此完成各类探测安防任务。系统微控制器选用STM32微控制器[3]。

2 运动分析

2.1 基本原理

四轴飞行器具有6个活动自由度，即沿3个坐标轴做平移和旋转的动作，但是它只有4个控制自由度（4个电机的转速）的系统，因为控制自由度不等于活動自由度，所以四轴飞行器是欠驱动系统。但是对于姿态控制本身（分别沿3个坐标轴做旋转动作），四轴飞行器是完整驱动（控制自由度等于活动自由度）的。

四轴飞行器的基本运动原理为：电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

避障的工作原理是：红外反射式传感器检测到障碍物后，将障碍物位置的信号送入单片机；单片机进行程序处理后，根据不同的障碍物位置信号输出相应的控制信号驱动电机；最后电机驱动电路输出不同PWM信号，使得左边两个和右边两个电机产生速度差，从而实现转向，达到自动避障的目的。

2.2 基本运动

微型探测安防智能四轴飞行器包含4种基本的运动方式：垂直运动、俯仰运动、滚转运动和偏航运动。

垂直运动：同时增加4个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大。当总拉力大于整机重量，飞行器便离地垂直上升。反之，同时减小4个电机的输出功率，四飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，旋翼产生的升力等于飞行器自重，飞行器保持悬停状态。垂直运动中四旋翼转速必须同步增加或减小。

俯仰运动：电机2、电机4转速不变的前提下，电机1转速上升，电机3转速下降（为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等），由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转；同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转。

滚转运动：同俯仰运动的原理相同，保持电机1、电机3转速不变的前提下，改变电机2和电机4的转速，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。

偏航运动：由于空气阻力作用，旋翼转动时会形成与转动方向相反的反扭矩。当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发生垂直运动。

3 姿态测量算法的选择

飞行姿态是真实飞行物体与参考坐标系之间的角度关系，通过姿态的测量可以根据实际情况调整飞行器，保持稳定的飞行状态。加速度传感器测量由物体重力加速度引起的加速度量，角速度传感器（陀螺仪）用来测量一段时间内角度变化速率。但因为电机持续工作使飞行器产生较大震动，加速度传感器的测量会受到很大噪声（震动及加速运动）影响，而角速度传感器（陀螺仪）因为自身的旋转也会有较大的误差积累，所以必须采用一种融合算法得到相对更准确的数据。

4 结语

结合红外反射式传感器，可以有效地探测障碍物，实现飞行器的自动避障，有利于对复杂危险环境的探测。根据实际需要，该微型四轴飞行器可加载各类传感器，进行探测安防。飞行器的运动由垂直运动、俯仰运动、滚转运动和偏航运动4种基本运动组合而成，可以满足各种环境的需求。通过加速度传感器和角速度传感器（陀螺仪）可以实时测量飞行数据，调整飞行状态。该文也通过查阅资料找到一种较好的融合算法，可以得到更精确的数据来调整飞行状态。

参考文献

[1] 陈振兴.基于STM32的微型四轴飞行器研究与设计[D].河北工业大学，2013.

[2] 闫锦龙.带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计[D].安徽大学，2014.

[3] 丛吉，王立忠，宋扬，等.多功能探测安防智能四轴飞行器的研制[J].高师理科学刊，2014（1）：41-43.