“飞行工兵”基于STM32的自动捕捉飞行器

摘要：随着电子信息科学技术的研究的不断深入，以及市场化推广应用，无人飞行器已经在社会各领域得到了广泛应用，并展现出明显的优势。本文针对社会生产、生活中的实际需求，利用STM32芯片技术和多传感器的应用，使用机械臂控制方式，完成四旋翼飞行器——“飞行工兵”的搭建，并实现空中自动捕获功能。

关键词：四旋翼飞行器；STM32；传感器；自动捕获

1 课题的由来

在很多行业里，会有像维护变电站、检修反应堆这样的空中危险工作；还有在不少地区都存在着交通不便的情况，也有很多时候我们无法取下高处的东西；亦或需要快速把一些物品快速播撒在一片范围很大的区域里……这时我们就需要一种灵活性很高的，自动化程度很强的载具来完成这些事情。所以根据这个需求，就有必要做出这样一种可以代替人工，在空中作业的工具；也就是自动捕捉飞行器。

2 研究方案

首先，根据需求，我们选取四旋翼飞行器作为基础平台来构建这一项目。四旋翼飞行器具有结构简单，机动性好，飞行稳定，技术成熟等特点；适合搭载多个外设模块。但是，考虑到其需要实现抓捕，载重等功能，所以其自身重量必须严格限制在一个特定的范围内；也就是说动力冗余，必须在50%以上。否则将很难实现其除了能自主飞行以外的功能。机械臂使用了市面上通用的铝合金金属舵机组件搭建了三个自由度，这是权衡了重量和性能后得出的最终方案。

经过推算，我们得出了自动捕捉飞行器所需的各项指标的具体参数。（请见下表）

（飞行器部分）飞行器以四个无刷电机作为动力输出，通过30A（2s6s）无刷电调（无BEC输出）与基于STM32F427单片机的飞控相连。GPS模块连接于飞控。飞控的七个通道与PWM地面站接收机连接。

（自动捕捉器部分）3个机械臂伺服舵机和机身下的六路舵机控制版；在抓捕器的尖端处安装了超声波与红外模块，收集数据并直接反馈给控制板。（动作组编程时设定其正前方20～45cm的范围内可以自动执行）但同时也可直接由地面站进行人为干预。（包括其中一号舵机与飞控有关联，在飞行中保持前后俯仰的水平）整个系统由14.8V/4s/4200mah/25c 锂电池供电（飞控，接收机有5v供电/降压模块）。

对角轴距400mm

材质碳纤维 玻璃纤维 铝合金 ABS

自重1.45kg

最大升力1350g/4=5400g（理论值）

单电续航时间25min20min

最大时速67km/h

最大抗风力46级

可携带重量1kg

最大遥控距离1500m（可提升）

捕捉器力度15Kg/3

超声波探测范围0°～90°

最大倾尾舵角速度200°/s

最大飞行倾角45°

遥控频道2.4G/5.8g

3 研究过程

组装完成后我们进行了多次试飞，其携带的重量超出预想，最大时可达1.6Kg（60%油门下）。但同時也暴露出了几个缺点：对人的操纵水平要求很高、超声波模块和舵机组反应迟钝、着陆麻烦。改进付出了辛苦的努力以及巨大代价（包括在飞行中的一次意外断电坠机），最后终于改进完成，总结了自动捕捉飞行器在不同条件下、对不同目标物体的捕获和携带能力都是很优秀的。（有自2016年7月6日至今的实验日志。）

4 研究报告及结果分析

实践表明，这种飞行器可携带机械臂高空近距离作业，自动性高，可以安装更多不同组件（如电锯）与环境的互动性非常强。但四旋翼飞行器由于尺寸限制，无法携带需要的测试仪器在建筑物内部近距离作业，对路径规划有很多限制。

所以自动捕捉飞行器项目总体上性能尚可，部分功能仍需完善。

5 结构图

6 实物图

最终完成时（7月2日摄）

作者简介：李子昂（2000），男，汉族，内蒙古兴安盟乌兰浩特人，乌兰浩特一中学生。