四轴飞行器可行性分析

1、实时情况反映飞行器可行性分析报告杨奕（组长）韩志梁根鑫王禹欣【实用背景】对于我们的航模，我们有两种实用思路。第一：从汶川地震开始，我们关注到，在许多地区发生灾害以后，各种通讯设备无法使用导致与外界的交流阻断，同 时受灾地区交通阻塞，救援队伍无法进入勘察受灾状况。于是，我们想到使用小型的遥控航模附带上实施航拍以及 GPS导航功能，快速及时地反映那些对外交流困难的受灾地区的受灾情况，从而更有利于救援行动的开展。第二：现代交通业的迅速发展和膨胀导致了公路拥堵现象越发严重。尤其是经历了 2012年十一假期个全国性交通堵 塞，我们深感及时的了解前方路况让车辆分流有多么重要。并且，现在的城市道路上都已经装

2、上摄像头，这些设备 可以协助交通部门管理城市道路。但高速公路上缺少这样的设备。并且高速公路路况可能变化很快，这更需要某种 机制可以帮助疏导车流。所以，我们设想，与交通部门取得联系，在我们完成航模之后，借用交通部门高速公路上 的网络端口，将拍摄的图像实时传输回来，以保证车辆的快速通过。【预算分析】四轴机架带陀螺仪251飞控板250元无刷电机4*100=400电调 4*88=352正反桨2*24=48锂电池120元平衡充电器188元7通道遥控器及接收器600元舵机 16*2=32平板天线67.8无线电视频传输设备540微型彩色摄像头200杂费500总造价约3548.8元【航模飞行可行性】经过调查，

3、我们发现，四轴飞机的稳定性和可控制性都比较好，所以，我们选择四轴飞机作为航模。四轴/多轴飞行器原理不复杂，以四轴为例，四个桨构成一个旋翼平面，靠飞控板控制每个动力组的输出，来 控制旋翼平面的倾斜，靠升力的分力来改变飞行方向：飞行择制原理图四轴飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后左右四个方向，四个旋翼处于同 高度平面，且四个旋翼轴距几何中心的距离相等，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡，四轴不会向任何一个方向倾转;而四个电机一对

4、正转，一 对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证了四轴航向的稳定。四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴在横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动：四个桨产生的推力，超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动，当桨的升力与四 轴本身的重力相等的时候即实现悬停.当四轴需要向前方运动时,2,4号电机保持转速不变,3号电机转速下降,1号电机转速上升，此时1号电机产生的 升力大于3号电机的升力，四轴就会沿几何中心向前倾转，桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动。当四轴要转向左转向时，1,3号电机转速上升，2,4号电机转速下降，使向左的反扭距大于向右的反扭矩，四轴在 反扭距的

5、作用下向左旋转.右转同理。我们预期能通过改装和程序控制，使得四轴飞机的四个螺旋桨方向都能成为机首，以实现六通道甚至直接斜上 斜下的飞行功能，达到尽量准确快速勘察情况的目的。同时，考虑到载重的限制，我们首先会选择大小适合的机型，使得其载重能够达到要求，比如能承载达到功率 要求的无线传输设备、微型摄像头以及GPS导航装置。另外为了使航模能飞行并且较为平稳，我们会选择轻质的设 备，尽量减小其载重。【无线传输可行性】航模遥控有专用频率，可以满足距离要求，但航模遥控频段无法满足视频传输的需要，那些网上卖的大功率2.4G 模拟信道都是非法的，对WIFI、蓝牙、Zigbee和其它2.4G信道而言都是强大的干

6、扰源。同时，传输实时视频信号需要足够的带宽，3KM以上的高带宽无线传输需要足够的发射功率，500mW是不够 的，而且这样的信道严重违法，即使采用数字技术也要申请使用执照，而这类执照个人或私营企业去申请的话肯定 不会获批。通过网上了解，利用3G信道确实是唯一合法且可行的解决之道，但是由于3G技术尚未完全成熟，应用也基本 局限于手机，所以难以实现。我们又了解到：780M无线模块基于ATMEL公司AT86RF212射频芯片设计（另外还支持868MHz/915MHz频段），具有低功耗、 高灵敏度和穿透力强等特点，在相同发射功率情况下，具有比其他ISM频段的无线收发器更强的穿透力、更远的通 信距离以及更

7、好的通信质量。780MHz无线通讯最大的优点是干净”，避免了 2.4G、433M频段内民用无线设备的干扰，将会是物联网行业的 中流砥柱之一。780MHz无线传感网模块可以衍生出有源RFID (即Active RFID)、无线传感网节点、路由和网关， 还可以和其他网络模块配合进行网络融合、跨网络使用。以不带任何放大情况下，模块特性如下：1、真正实现传输500米无误码，空旷条件下可达1.5km以上；2、支持 IEEE802.15.4/ZIGBEE 协议；3、工作频段 780M/868M/915M；4、780MHz频段发射功率最大5dbm，915MHz频段发射功率最大10dbm；5、使用STM32系

8、列MCU的情况下，每30秒发送一次数据，一节2700mAh的电池，可维持4年以上工作时间；同时，比较几种不同的传输，我们看到，目前困扰物联网行业的一个致 命问题就是同频段干扰太多。2.4G 是全球通用的，902928 MHz是北美的，863870 MHz是欧洲的，779787 MHz是中国新开的，470-517MHz 是国家电网计 量频段，无需申请的。所以2.4G和433MHz使用的及较多，相对应的，干扰也就多。我们会尽量采取合法的方式进行视频传输。也考虑过通过无线网络连接采集设备和接收设备，那么就需要当地 分布了无线网络。这一点在高速公路上比较容易实现。但是对于灾区的勘察，可能非法的信号更为

9、实用。毕竟当地 的信号已经阻断，想要快速了解情况，除了使用自备的传输设备别无他法。附录1、3种不同频段比较英型参数2.4GHZ780MHZ通信频率该撅段有蓝牙、球以及其它 短距离无线技术，同时家用的 微波炉也在该领段范围内，用 户比较多，设密间的兼容性利 共存怪是斋耍面站的问题.该罅段有对讲机，车戟通犒设 备,业余通信设备等，受环境 干扰比较大,而且枭用单撅点 工作，不股有效抵说因遮挡而 产生的多禄效应.造成通信不 可靠。730MHZ麴段符合IEEE302.1 5.4C中国频段规范燮求， 博时符含RFED 300M/900M段 要荥.E作在呻低疆竦践.绕射能力更强，通侑能力穿过细小缱隙俏箱的能

10、力比低 撅信号好，卑多顾津建筮物票 面反射僧号来实现绕障碍物样 输=骁射能力比被强，佬输距离比 较远，旦呆统媲宿技术采用落 后的窄带调幅技术.一股在S- 2SKhz.貌射能力好.可绕过障碍物， 德滴距离更远，扼多妾衰减效功 耗卧耗偏高.在电池:共电厝思下 可持续工作时间短吃和大.若对机和天浇谜飘兜 太，大量使用会给人谚缠缥带同样曲发射功率下，驰输距离 更员*期同洋的俊情距离下， 链费的能量更小，更环探更若安全性安全住商，采用AE&I2&数程 加密尊，.必系统安全宗密性差，很容据被 攻击，花祛译宝全姓嘉，采用AE5-1WB数据加2、780M无线模块大小仅有一元硬币左右，符合质量小，体积小的要求，

11、满足飞行器的载重能力。3、780M无线模块技术规格技术规格4述电源电压1.8 3.6V 推茬 3.3V工作 电流发送2 5 mA接收15niA硬眠频段中国WPAN779 787 MHz_欧洲3RD863-870 MHz.北美tSM902 928 MHz信道779-787 MHz信道数4,中心频点分别为78CL 782, 784 786MHz86 3-870 MHzI :顼 1 艺868.3 MHz902 -928 MHz信道10, F=902-h2 ;K-1 )K=1.W信道间隔2 MHz发射功率-11中国频段最大5dbm,任常4/ldbm接收灵敏皮-UDdbm无线速率20k- WCOk bp

12、s调试方式BPSK:符合 tEEE8)2.15.4-2006 标准O-QPSK:符合 推;模块默认为IEEE P8O2.15.4g IEEE302.15.4-2006 +j； OQPSK-RC-250IEEE P802.15.4cIEEES02.15.4-2003.1EEE8O2.15.4-20Q6通值距离1.0km.测试条件；O-QPSK-250发射功率5dbrm 湖面空 旷条件UART波特率960G / 19200bps.数据接口1.27mm标准间距排针射频端于I-PEX标推射濒端子匚作温度-2Q-75V存储温度-3Q-85nC_物理特 性尺寸33mm X 23mm重量10g.ROHS环保

13、充全符舍ROHS环保认i要求4、附四轴飞行器名词解释（1）通道：通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。 但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转。所以四轴飞行器最低得4通 道遥控器。要实现航拍功能则就需要更多通道的遥控器。（2）飞控：四轴飞行器相对于常规航模来说，最最复杂的就是电子部分了。之所以能飞行得很稳定，全靠 电子控制部分对四轴飞行状态进行快速调整。在常规固定翼飞机上，陀螺仪并非常用器件，在相对操 控难度大点的直机上，如果不做自动稳定系统，也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器与其不同的地 方是必须配备陀螺仪，这是最基本要求，

14、不然无法飞行，更谈不上飞稳了。不但要有，还得是3轴向（X、 Y、Z）都得有，这是四轴飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感 器，这6个自由度，就组成了飞行姿态稳定的基本部分，也是关键核心部分-惯性导航模块，简称IMU。 飞行中的姿态感测全靠这个IMU 了，可见它是整架模型的核心部件。（3）电调：电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。四轴飞行器四个桨转动时的离心力是分散的。不象直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺 性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常用到的舵机控制信号更新频率很低。四 轴为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电调，常规PPM电调的更新速 度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规 航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就不合适了，四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用 高速专用电调，IIC总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时， 姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击，依旧安然无恙。（4）无刷电机：电机分为有刷电机和无刷电机，