【浅析多旋翼无人机的组装与调试8200字（论文）】

多旋翼无人机的组装与调试研究目录TOC\o"1-3"\h\u225071引言 112442无人机方案总体设计 250402.1当前主流无人机类型分析 2113052.2机械结构设计需求 2169092.3系统设计的总体要求 261182.4技术指标 2285432.5方案总体设计 2159282.6自平衡原理分析 3283343防撞装置设计 4286383.1各个关键部件设计 4151753.1.1电动机选型 461593.1.2防撞保护罩设计 42263.1.3防撞保护罩设计应用范围 5215883.1.4旋翼设计 7199483.2机架设计 7277263.2.1设计原则 7314533.2.2材料选择 8124163.2.3机架结构设计 9205624无人机的组装 11165364.1各主要模块 1127524.1.1单片机最小系统 11319474.1.2激光避障模块 1143054.1.3电源模块 12172134.1.4信号传输模块 1265794.1.5主控电路 12249784.1.6遥控模块 13109794.1.7显示模块 1392384.2各模块组装 14207884.3功能调试 14305024.3.1电路检查 14223044.3.2通电测试 15298734.3.3功能测试 1527345设计总结 1630573参考文献 181引言伴随着国内市场经济的迅猛发展，各行业都呈现出前所未有的蓬勃生长景象。其中的无人机也已经迎来了技术发展的春天，无人机就是一种利用手机进行无线电遥控器设备和手机自备的应用程序控制器而产生的不载人飞机，无人机能够在无人驾驶条件下实现复杂的空中飞行和负载任务。在这么多无人机的种类里面，最为具有代表性的应该就是一架四旋翼式的无人机了，这种类型的无人机最大不同之处就是它能够在飞机的起航和着陆时都是垂直地进行，人们在选择使用它时很简单，便于操纵员对其进行监视和侦查，无人机也能够将自己的飞向距离到一个目标较近的地方等等。2无人机方案总体设计2.1当前主流无人机类型分析目前市场上主要生产的存在几种类型的无人机，按照其基本功能进行划分主要有以下几种包括：航拍类，植保型无人机类，气象型无人机类，监控型无人机类，测绘型无人机，按规格和大小进行划分：微型无人机(0kg-7kg)，轻型无人机(7kg-116kg)，中性(116kg-5776kg)，大型无人机(5776Kg)。本设计主要针对微型和轻型无人机设计，进行改进，防止无人机撞击后造成财产损失。2.2机械结构设计需求针对无人机防撞需求，本次设计主要提供两种解决渠道，一是在旋翼周围加装一种防撞隔离保护罩；二是在无人机底部加装激光模块。参考有该需求的无人机，主要是微轻型，故将本方案的无人机大小尺寸设为750mm*750mm*220mm左右，1）保护罩设计：根据无人机旋翼的大小，设计保护罩的大小尺寸；2）激光模块的设计：在保证低成本的同时，实现更好的高度预警；2.3系统设计的总体要求1）飞控数据传输至控制端的功能：能够即使方便地让操纵手了解无人机姿态，方位，速度等；2）图像、视频采集功能：将无人机所处周围环境准确记录，方便以后分析；3)高度检测功能：根据当初设定阈值，当达到高度阈值时，发出报警信号，以提醒操作人员；2.4技术指标按照前期提出的方案设计需要，提出以下设计指标1)数据通信周期：20±5ms；2)数据传输距离：3000米以内；3）保护罩强度：34mps4)高度传感器：高度范围在0-100m2.5方案总体设计四旋翼无人机的四只机翼被放置在机身两边，左右各二，大小形状都一模一样。他们是在同一水平线和高度线上，无人机由机体、控制模块和电源动力设备这三个部分组成，三个部分彼此相互配合又互寸在各自不同的功能区别。无人机的整个体也就是它的整个机架，电源动力设备主要指的是一个电源，电动机以及四个螺旋翼的设备，电源可以为一台电机运行和服务提供稳定的能量，电机可以为一个旋翼运行服务，这样一台无人机就可以正常地飞行；所谓的自动化控制设备指的是对无人机进行自动化控制的系统，主要用于传输指令。正常的设计当中，应该是把一架无人机的四个旋翼安置在一个平面上，这样可以确保整个无人机的上部的重量是四面均匀受力。这些设备主要功能是能够提供电源、传输数据和控制无人机等。其中针对本方案中的无人机保护罩的改造，它主要用于隔离旋翼，防止其与周围碰撞，如图1所示。图1四旋翼无人机的构造2.6自平衡原理分析四旋翼的无人机，本身就存在极其微妙的平衡关系，四根长度相同的轴线使之位于同一圆环四点，并且能够保持重心的位置。总之，四旋翼无人机之所以能够实现了平移、绕垂、旋转、俯仰、翻滚、上下升降等六个运动，全部仰赖与自身的平衡性。这个时候，一旦平衡被打破，例如，主旋翼失调，即会造成无人机偏离航道水平线的情况，又由于四个旋翼无法唉同一个水平面发生牵引运动，则会进一步导致无人机出现严重倾斜。此外，相邻两个旋转机翼的旋转是相反的，也就是说，四个机翼分别是顺时针、逆时针、顺时针、逆时针这样的顺序摆放。彼此相邻的两个之间永远不是一样的方向，整个机身是依靠机翼来完成上升。通过这种方式，来达到理想的飞行状态并且保持自平衡。当升力等于重力时则处于悬空停止状态。当向上的力增加时，则处于机身的上升状态，当向下的力增加时，则处于机身的下降的状态。3防撞装置设计3.1各个关键部件设计3.1.1电动机选型如今，小型无人机的动力组件主要是发动机和内燃机。通过驱动带动螺旋桨和涡轮发动机的运转。尽管内燃机的效率高，输出功率也相对较大，如果单就效率而言其实最好的选择，但是它也有一个非常致命的缺点，调整速度是极其不方便的，因此，电力不高，续航能力不强的电动机反而成为首选。因为考虑到无人机飞行时间相对较短，所以电动机仍然成为了最佳的选择方案。驱动电机作为无人机最重要的设备部件之一。在很大程度上控制了无人机的飞行高度和各项参数指标，因此对电机的选择要慎重谨慎。确定无人机的各项基本性能指标后，电动机参数基本能够确定，以便无人机能够顺利执行低空飞行的任务。因此这个时候就要保证，电动机能够维持的飞行时间尽量的长，但又要地方电动机额定功率太大造成的欠载状态会大大降低无人机的效率，还会增加起飞时无人机的重量。另一方面，如果电动机的额定功率太小，电机过载。续航能力太低又会影响整个无人机的使用，所以根据以上的阐述，需要注意一下几点。首先是，在权衡无人机发动机相关参数的时候，需要考虑到发动机的重量。通过阅读相关的数据发现，无人机起飞升力与功率成正比。通过这种方式，因此，必须选择大功率的发动机，得到巡航时间的保证并完美配合螺旋桨。3.1.2防撞保护罩设计本设计方案中的防撞保护罩主要用于保护无人机的旋翼，因为无人机的主要动力来源于旋翼，在无人机工作状态中，旋翼一直处于高速自转的状态，容易对周围物体形成较大安全威胁，同时也损伤旋翼，因此需要一个保护罩将旋翼与周围环境相隔离。保护罩大体如图2所示。图2护罩大体详细尺寸如图3所示，外轮廓为半径为142.5mm，总体长度为239.2mm，高度为34.6mm图3详细尺寸由于考虑到该保护罩应时刻保护无人机旋翼，为了省去反复拆卸与装配的麻烦，因此将保护罩与无人机横梁一体设计生产，其与无人机横梁位置关系如图4所示。图4无人机横梁位置关系图3.1.3防撞保护罩设计应用范围因为本设计方案中的无人机除了采用激光模块来保障安全外，还在无人机旋翼周围加装了保护罩来保障飞行安全，由此还需要对该保护罩进行受力分析和强力校核，以此明确该无人机的使用范围和注意事项，图5为保护罩受力概念。图5保护罩受力概念（局部）如图6所示，该无人机的保护罩主要保护无人机旋翼来自四个方向的撞击，它所受到的冲击力主要来源于当无人机向前运动时对周围物体所产生的冲击力对应的反作用力，因此分析无人机收到的撞击力，先要分析无人机的最大运动速度，质量等方面参数。图6护罩受力概念图由于本方案主要针对微型无人机，故假定其质量为0.6公斤，同类型无人机最大飞行时速为15m/s，它在受到撞击后时速瞬间将为0m/s，假设缓冲距离仅有0.1m，假设保护罩与接触物的碰撞面积为2平方厘米。则参考物理运动学关于加速度公式式（3.1）这之中=末速度=初速度=缓冲距离再参考牛顿第二定律F=ma式（3.2）F=所承受的撞击力则参考压力公式式（3.3)由公式可知瞬时压强达到了3375000帕，约为3.4MPa，由于我们选用的是碳纤维材料，碳素纤维树脂复合材料的强度一般情况之下都能超过3500兆帕，这样的直观的概念相当于是钢的7-9倍。完全可以承受冲击，保证旋翼的完好3.1.4旋翼设计对于无人机来说，旋翼是无人机的空气动力来源，四组旋翼高速自转，产生一个向下的推力，从而让空气对无人机产生一个反作用力，托举无人机，保障无人机完成飞行任务，旋翼的直径越长，在相同电机相同转速下其拉力越大，直径越小拉力越小。常见的有两叶，三叶和四叶。在其他各项技术指标相同的情况下，叶片越多其拉力越大，但是其转动惯量与空气阻力也就越大。电机使三叶桨达到与二叶桨相同转速时，需要的电流就更大，而当电流增加到十几安培乃至几十安培时，电机的内阻就会消耗掉一定的功率产生热量，而电机对桨产生的动能相对减小了一部分。使用多叶桨达到与两叶桨相同转速需要消耗的功率就更大。因此，通常的情况下，三叶桨和四叶螺旋桨的工作效率不如二叶螺旋桨的工作效率。所以对于多旋翼无人机我们使用二叶桨。如图7所示。图7二叶桨其详细尺寸如8所示，长260mm，单个叶片长122.5mm，中心轴直径为9mm。图8详细尺寸3.2机架设计3.2.1设计原则在进行最后机架设计时，需要遵循设计原则，从实际情况出发，考虑一下几个方面：材料，在保证成本低廉的情况之下保证材料一直要轻巧稳固并且坚固，一定要在轻巧、坚固两者之间综合考量，否则要么太重造成过载，要么过脆造成质量问题。结构合理，容易后期的拓展和下一步的装置，否则不易于制造和组装；牢记过程，保证机架本身的可拆卸性，能够比较快捷的进行维修，调理和更换，便于安装和拆卸零部件；抗震性，不能再运行过程中经过外部干扰因素或者运行时的颠簸和震动就导致整个无人机的瘫痪和宕机；易于维护和保养，机架要能够具有一定的抗腐蚀性，可以保证使用的时间能够尽量长一点，延长使用寿命，尽可能多的节省使用成本。3.2.2材料选择在整理归纳多方的资料和数据，进行最终次论证和权衡之后，最终决定将四旋翼无人机的框架材料选择碳纤维。这种材料的含碳量高达95%。具有极高的韧性，可以保证不会轻易损坏导致无人机无法使用，而且其材质也十分轻便，强度甚于钢铁。尤其明显的是其耐腐蚀、模量高的特点。足以使之广泛应用于社会各个层面，如公共安全的探测、军事工业等各个不同领域。从微观角度来看，碳纤维其实与传统的人工石墨极为相似，其结构无序且有杂质层。每一层之间的中心点距离大约为3.39a至3.42a，都是以碳原子相隔。而且还存在原子之间互相排列不规则的情况。每一层跟各层之间相互连接的同时所需要依靠的就是范德华力一般而言，我们可以把碳纤维相互地比作就是由各种排列有序的结晶物和孔道所构成。碳纤维包含了所有碳性原料的特点，而碳素纤维树脂复合材料则是包含了炭纤维的一切特点并且还有优化和提升。碳素纤维树脂复合材料的强度一般情况之下都能超过3500兆帕，这样的直观的概念相当于是钢的7-9倍。除此之外，碳素纤维树脂复合材料的比模量也要远远高于普通的钢铁材料。与原来的玻璃纤维相比，这种新型纤维材料的密度已经超过了两倍于杨氏模量，而且耐腐蚀极强，可以很好的保证其质量。可以通过孔隙率的变化和强度反映出，其模量和强度已明显呈现反比例变化。层与层之间的剪切强度均会受到影响，弯曲强度与弯曲模量亦均会因为受到了不同程度的影响而导致改变。拉伸的强度随着孔隙率的大小发生变化，它们也是按相反方向发生变化，拉伸模量几乎没有那么多地受到孔隙率大小的影响。这种新材料的纤度也是十分可观，通过研究发行，在一般情况下为19克，但拉力异常强大，甚至可以达到每微米300kg。就拉力的强度而言，目前现阶段极少有无知能够强于碳纤维。如果处于没有空气的真空装填，碳纤维依然可以凭借自身优良的承受力耐受高于3，000度的温度。并且形成维度与强度成正比的趋势，温度越高，碳纤维越强。然而，遗憾的是，这种材料的强度不尽相同，并且径向强度明显小于轴向强度，因此最好不要使用径向的强力，以免造成不必要的浪费。除了高耐温性之外，碳纤维还具有耐低温。当温度很低时，它不会脆化而导致损坏。在化学性质层面来看，碳纤维的类似于碳。只有足够浓度的强化剂才能致使其氧化。如果在温度处于400摄氏度的条件之下，也可能会使空气中出现氧化，这个时候就会产生一氧化碳和二氧化碳。此外，处于化学层面，碳纤维的耐蚀性依然是其中的佼佼者，在大自然中技术是不可能生锈。30年前就有人员做过一个至今为止扔在继续的漫长实验。1980年的一个周末时候，一群美国研究者把一些碳纤维材料放置在强烈的碱比如氢氧化钠的氨水溶液里面中并进行高温浸泡。三十多年后的今天，它仍然保持原本的原始状态。当然，这种铝合金材料也是并非坚如金银，其实它本身所能承受的外力是很小的，非常容易被它们所破坏，在强酸的影响下，会出现一种被氧化的现象，因为这种碳纤维它的电动势确实是正值，不过这种铝合金的电动势确实是一个被称为负值，所以它是在强酸的影响下才会发生被氧化。当我们碰到了碳纤维及铝合金、钢铁、金属时就会出现有对话、渗碳及其他电化学性质的腐蚀。当使用这些材料，我们必须先做一些表面的处理来维护无人机后期的状态。3.2.3机架结构设计机架始终是无人机最重要的组成部分，对于整个机架而言，其最主要的功能除了美观之外，更重要的是其实用性，也就是其对各个部位的连接和支撑。虽然市面上有多种材料可以拿来参考和选择。但机架对材料的要求必须过硬，这是无人机的中枢，全靠它支撑着，因此，能够充分减轻机身重量的时候还要保证硬度必须高，强度必须高，密度必须小。一般有金属、塑料、碳纤维等。根据飞行方式，一般分为“X”字形或者“十”字形两种形式。本设计采用以碳纤维为原材料，配以“x”字形的机架设计，机架的设计效果如图9所示。图9机架的设计效果详细尺寸设计如图10所示，上端隔离板为180mm*116mm，下端托板为223mm*223mm总体支架高度为130mm。图10详细尺寸设计4无人机的组装4.1各主要模块4.1.1单片机最小系统在选择单片机时，需要综合考虑其实际需求，STM32系列的F103C8T6款式，成本则比较低。目前的STM32有32个内部Cortex-M3处理器。STM32具有良好的能耗控制能力，在语音、指纹和人脸识别模块中具有良好的控制功能。在STM32、STM32、F105/107207/407等标准中，采用m3芯的相对较高。STM32应用程序有许多便利。STM32的PCB（printedcircuit）由于某些复用功能具有映射特性，因此该板的设计更加方便快捷；当所有ISO接口都启用了中断输入时，所有ISO端口都满足“中断”的要求，并且没有连接到多个特定的管脚，这将大大简化设计，并在原理上或PCB上支持ISO端口的测试。当时，从代码的开发和下载来看，如果没有足够的引号，这两个ISO行是否基本适用于该型号就没有必要了。窗口可以下载方案。STM32保留了优秀的功能，大大降低了开发成本。小型控制单元在集成系统应用中，根据设计要求采用的设备。MCU开发系统一般不提供最小系统。核心大小32位，速度72MHz，程序存储器容量256KB，程序存储器类型Flash，RAM容量48KB，I/O端口和内部设备和外部设备的数量多。芯片的电源为2V～3.6V，具有低功耗模式的各种功能，满足低功耗应用的要求。4.1.2激光避障模块有效和安全地实现自主飞行的方法是无人机在室内和陌生环境下飞行的第一要素，因此，在设计无人机的时候保证其自主避障的能力就显得十分重要，无人机不仅能获得飞机周边的环境信息，还要根据获得的环境信息进行障碍物回避处理和路径计划设计。飞机的室内定位模块主要是利用在飞机上安装的外部传感器来实时获取飞机的位置信息,并且通过绘制出所需要画好的环境地形图,将避障系统分为针对飞行器中各个障碍物进行检测和路线规划两个部分进行完成。无人机可以用障碍物检测模块来识别障碍物,计算得出障碍物与机身之间距离相关性的信息。路径规划模块根据飞机和障碍物之间距离测量的相关信息来调整飞机的航程和路径,以避免飞机的障碍物。在室内自主飞行中，不仅需要确定四重转子的位置和姿势，还需要确定障碍物并安全避免。自主障碍物避免模块是通过图像发送模块设计的。图像信息通过图像传输模块传递到障碍物避免系统，使用障碍物避免算法进行图像识别，检测周围环境。在自主障碍物避免模块的设计中，为了减少图像识别中的计算量和消耗功率，因此设计了基于激光单目视觉系统和图像传输模块的组合的自主障碍物检测系统。根据物体表面检测到的激光点来确定障碍物和当前体的距离，然后估计矩形物体的移动距离以避免安全障碍物。4.1.3电源模块电源插孔使用的是POWER_JACK_3。AMS1117-3.3LMI084是一种提供输出端和电压频率范围分别为3.3v的正向电和低压电的升降式直流稳压器,此款稳定器拥有自我保护机制，一旦内部集成过热保护就会开启限流电路，是多旋翼无人机的最佳选择。图11电源模块电路设计图4.1.4信号传输模块在信号传输模块中为了增加通信距离，数据发射模块采用收发器+PA+LNA的技术方案。在发送数据时，RF信号由内部PA放大，然后输出到外部匹配电路，然后发送到外部功率放大器芯片，并经由天线发射。当接收到数据时，天线首先拾取RF信号，并经由匹配电路经由外部低噪声放大器将其发送到收发机，并且收发器提取在内部放大后的载波上有用的信息。4.1.5主控电路主控芯片采用STM32F103C8T6，工作频率72Mhz，主要用来进行据帧格式的转换，收发缓冲控制和接口变换等都在前一版本的基础上得到了整体的提升。图12主控电路图4.1.6遥控模块遥控器可以控制俯仰角、横滚角、偏航角和发动机，也可以控制水平飞行速度、垂直升降速度和偏航角。第三摇杆可以拿来用于控制云台的俯仰角和偏航角。遥控器还具有启停按钮、一键返回按钮、喷洒操作按钮等辅助功能，指示灯可显示燃油量、电量、网络连接状态、操作状态、发动机状态、飞控状态。另外，飞行控制系统的功能可通过16位拨号开关进行设置。它有两个USB端口。迷你USB接口与主机进行数据交换，USB-a接口用于连接手机。4.1.7显示模块显示器应能显示数据和图形，考虑到同一块液晶屏尺寸越大，功耗越大，综合考虑之后，还是选用了0.94英寸的OLED显示板，该显示器的电流消耗相对较低，能够满足系统要求，采用红蓝双色块屏。图13显示模块电路设计图除此之外，还带有LED发光二极管的显示状态，分别为红、绿、蓝三种颜色光的闪烁状态。图14LED发光二极管的显示状态4.2各模块组装在多旋翼无人机的设计过程中，重点在于避障模块。通过焊接工具、购买后的电子元器件来实现其实物的焊接制作。激光多旋翼无人机的避障模块在完成时需要做到以下点：分析避障模块的电路图及系统功能，从而构思系统的电路板的焊接布局，为整体焊接完成做好准备。模块在设计和制作的过程中，按照电路框图，将激光传感器模块、电容、电阻、发光二极管、电源插座、显示屏、单片机等多个芯片全部布局完成，焊接完成如图15所示。图15焊接完成图显示屏幕位于左下角，用以显示传感器探测到的障碍物距离，电源接口位于左上角通过数据线即可接通电源，模块即可进行工作。从整体来看，模块布局合理，紧凑，质量轻便，适宜在多种场景下搭载。4.3功能调试4.3.1电路检查给硬件电路板放置好之前,不要再外加任何信号,进行一次电路测试。对