基于四轴飞行器管道机器人的研究与设计

滨州学院 王卫东 丁 雷 牛崧任 耿 荣

基于四轴飞行器管道机器人的研究与设计

滨州学院 王卫东 丁 雷 牛崧任 耿 荣

在我国科学技术发展速度愈来愈快之下，机器人技术得到了高速发展。而为了能够有效应对复杂特殊的管道作业环境，同时有效提升管道作业效率与作业质量，目前已经专门为此研发出了管道机器人，随着时间的推移，人们为了对管道机器人进行进一步的优化完善，开始尝试将航模飞行器技术应用其中，并配合使用超声波技术完成障碍躲避，从而使得管道机器人可以更好地完成相关管道作业任务。因此，本文将重点分析研究基于四轴飞行器的管道机器人。

四轴飞行器；管道机器人；超声波避障；设计

引言

在设计管道机器人的过程当中通过积极运用四轴飞行器及其工作原理，能够使得机器人飞行器利用超声波进行障碍躲避，同时其运动方向、角度、高度等也更加灵活，方便操作人员使用姿态控制的方式对其飞行控制，不仅如此，管道机器人飞行器的稳定性同样可以得到有效提升。因此本文将通过从简单论述四轴飞行器的基本内容入手，尝试从硬件系统和软件系统两个方面研究基于四轴飞行器管道机器人的研究，希望为相关研究人员提供必要参考和帮助。

一、四轴飞行器的简要概述

（一）基本结构

通常情况下，在四轴飞行器当中主要包括三大部分，分别为轴翼和飞行器控制部分以及机身部分。在轴翼部分当中主要由正反螺旋桨、电机和其他固定的组件共同组合而成，负责为飞行器提供动力，一般会被安装于飞行器四轴的尾端部分。而飞行器控制部分则主要包括遥控接收、主控制器以及姿态采集、超声波避障等，一般位于飞行器四轴的中心点位置处用于对飞行器运动姿态进行有效控制。而机身部分则通常规定在旋翼和飞行器控制模块当中，一般多由各种电机构成[1]。

（二）工作原理

作为旋翼飞行器当中的一种，自轴飞行器的运动原理基本等同于直升机的运动原理，但相比之下，其只需要承受飞行器本身以及螺旋桨产生的力和力矩。另外，四轴飞行器主要是通过利用其四个螺旋桨对各电机转速进行调整，以完成对桨翼产生扭矩以及升力的变化，从而控制四轴飞行器能够始终具有稳定的飞行姿态。在四轴飞行器当中，其主要可以进行上下、前后、侧向以及水平转动这四种飞行运动，均由四个螺旋桨控制转速的方式完成飞行器的姿态控制。

二、基于四轴飞行器管道机器人的设计研究

（一）硬件系统

1.控制器

四轴飞行器管道机器人应当具备体积小、功耗低同时具有较高可靠性和良好功能等众多优势特点，因此在选择控制器芯片当中，需要保障控制器的处理速度比较快，A/D转换器不仅精度较高且能够完全集成在飞行器内部，同时控制器还需要有充足的ROM、RAM以及多个PWM口和定时/计数器模块。在对经济成本以及性能、功耗等因素进行多方考虑之后，本文选择使用ST公司最新推出的一款微处理控制器，其通过使用最新ARM构架，最高时主频可以达到72MHz，同时其较低的成本与能耗，以及高处理性能使其能够有效满足四轴飞行器管道机器人的设计要求。

2.姿态检测模块

在姿态检测模块当中，为了确保飞行器能够实现平稳飞行，通常需要磁力计、超声波传感器、气压传感器等众多姿态检测器件，由其分别负责检测各数据并及时将其传递至主控芯片当中，在经由主控芯片的分析之后对飞行器各旋翼转速进行适当调整，从而保障飞行器具有正确的飞行发现和平稳的飞行姿态。但从经济成本以及其他影响因素的角度出发，本文将在姿态测量器件当中只保留角速度传感器、加速度传感器以及超声波传感器。由这三种传感器实时测量模拟量，并及时将转化成数字量之后进行输出使得用户能够更加精确地对控制器测量范围和飞行器运动进行有效控制。

3.超声波测距模块

在超声波传感器当中主要有两个超声探头，分别负责进行接收和发射，其在进行测距时主要是利用声音的传播和反射原理。超声波传感器通过对发出的超声波在遇到障碍物后反射回来的具体时长进行准确测量，从而利用已知在空气中超声波的传播速度，利用公式：

即可准确求出发射超声波的点矩障碍物的距离。和其他的传感器相比，超声波测距传感器具有较为精确的方向性，在进行定向超声波发射时操作比较简便，适用于远距离测量。因此本文在四轴飞行器管道机器人的硬件系统设计当中选择使用超声波传感器完成障碍躲避的任务。

4.无线网传输模块

在当前我国通信传输技术不断发展的背景之下，以WiFi为代表的无线网络传输技术已经得到了广泛的普及使用，鉴于飞行器本身小体积和低功耗的特性，在传输模块当中本文将设计使用WiFi传输模块，在模块当中具有TCP/IP协议栈，使得包括以太网、无线网等在内的各个接口能够实现任意转换，在连接因特网的情况下可以高效完成信息数据的传输。通常在无障碍物情况下，无线网传输模块能够轻松完成距离大约在300米的数据传输，但如果有障碍物则传输距离大约在100米左右但是可以穿透三层墙左右的厚度，基本能够满足飞行器的信号和数据传输要求[2]。

5.设计电路板

在四轴飞行器管道机器人的设计当中，控制电路同样需要得到相应的重视，在本文设计的飞行器控制系统当中，出于保障电路和电源稳定的原则，需要使用电源直接为桨翼电机进行稳定供电，另外考虑到控制器和各传感器并不需要较高功率，因此本次设计的电压选择为3.3V，在稳压芯片方面本文选择的是某公司生产的电源芯片，该芯片输出的电流最高可以达到1A，输出电压的最高也可达到2%的高精度，加之其具备过热切断和限流等功能，因此能够较好地为飞行器控制系统提供稳定电源。

（二）软件系统

1.总体设计

在本文设计的飞行器控制系统当中同一使用C语言进行软件程序编写，在系统运行之后由MPU-6050负责实时对飞行器的飞行姿态进行检测，并将检测得到的信息数据直接通过无线传输模块反馈至主控芯片当中，而在完成飞行指令接受之后将由主控芯片负责融合姿态和超声波传感器等采集得到的检测数据，并经由控制器完成相应的反馈调节，使得飞行器能够始终保持平稳的飞行姿态。在此基础上，通过对飞行器中各电机转速进行解算，而在电机控制当中则主要利用PWM波。总体来说，系统在进行初始化之后，需要由传感器进行数据采集和基准校验，如果此时存在启动信号则需要加载调节参数并利用超声波测距模块对障碍物进行判断，如果存在障碍物则需要在对其方位进行准确判断的同时发出相应的屏蔽控制信号；如果没有障碍物则可以读取控制信号和传感器信号即可，之后需要对飞行姿态进行准确计算，最后关闭电源完成此次飞行控制。

2.避障程序

通过利用超声波传感器对飞行器四周是否有障碍物进行判断，如果发现存在障碍物则需要将相关信号发送至出主芯片当中，尤其判断出障碍物的具体方位并发送相应的避障指令，此时飞行器将按照相应的避障指令进行飞行从而完成超声波避障。超声波测距传感器中的发射探头将通过发射超声波的方式判断是否存在障碍物，而利用传感器计算超声波在遇到障碍物反射回来的时间，以及空气中超声波的传播速度等对障碍物的距离进行准确测算，并由此判断出障碍物的具体方位，在将避障信号发送到主芯片处之后，飞行器将自动进行避障飞行。但在这一过程当中，飞行器将持续进行障碍物检测，并一直保持避障飞行姿态直至完全无法检测出障碍物[3]。另外，如果飞行器的四周均存在障碍物，则此时飞行器将保持悬停状态，如果检测后发现相反方向没有障碍物，则直接向无障碍物方向飞行，但如果检测前后或是左右存在障碍物，则需要对另外两个方向是否存在障碍物进行测算，如果没有障碍物则飞行器将随机从中选择一个方向进行避障飞行，但如果在另外两个方向中，仍然有一个方向存在障碍物则飞行器将直接选择无障碍物的方向进行避障飞行。

3.调试实验

为了检验本文设计的四轴飞行器管道机器人的各项性能，将对其进行调试实验。首先实验环境为光照合适的密闭室内，测试管道为纸质的30cm×30cm方形管道，在对机器人的各项参数进行不断调试之后，选择使用3.7V的锂电池为机器人供电，并将测试距离设定为十米。经过调试实验之后，发现四轴飞行器机器人基本能够保持稳定的飞行姿态，但飞行器在下降至距离地面两米之后在此上升回距离地面十米的高度需要花费较长的时间，并且在上升过程中飞行器会出现轻微的抖动情况，为此在后期我们通过对PID参数进行进一步调整测试，发现机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，并保持悬停的飞行状态时不仅用时可以得到有效控制，同时其原本的抖动情况也大有改善。另外，在对超声波避障功能进行测试的过程当中，我们发现本文设计的四轴飞行器管道机器人基本上能够较好地完成静态的自动避障，但障碍物不仅保持静止状态，而且避障飞行动作也相对比较简单，后期在进行动态障碍物设置和避障飞行的测试当中，我们发现数据量迅速增加，而超声波传感器在进行处理的过程中速度明显减慢，虽然最后基本能够完成避障飞行，但需要花费较长的时间，这也意味着还需要在此对平衡算法下的PID参数进行优化调整。

三、结束语

总而言之，本文从简要分析四轴飞行器的基本结构和工作原理入手，在此基础之上，从硬件系统包括控制器、姿态检测、超声波测距、无线网传输等以及包括避障程序在内的软件系统的角度，对设计基于四轴飞行器的管道机器人进行了相关研究。而后经过相应的调试实验，进一步验证了本文设计的管道机器人具有较好的实用性和可行性，对日后的管道作业具有一定的应用价值。

[1]张少华．基于四轴飞行器的管道机器人研究[D]．苏州大学,2014．[2]付莹．基于四轴飞行器的管道机器人研究[D]．哈尔滨理工大学,2015．[3]李浩蜜,任思宇,宫毅非,徐超健．基于四轴飞行器的运载机器人设计[J]．电子技术与软件工程,2015,10:123-125．