微型探测安防智能四轴飞行器的设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 微型探测安防智能四轴飞行器的设 计 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。 中国论文网 /8/view-12793838.htm 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） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 mm1。 电机选择 7 mm16 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， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 nm1 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 于活动自由度，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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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