四轴飞行救援系统

马承刚

学校科技兴趣小组成员在进行航模项目训练时，经常会出现小飞机模型掉到屋顶或河水中的情况，为了回收这些飞机模型，同学们往往费尽周折，浪费了很多训练时间。笔者于是想到设计一种方便可靠的救援飞行器来解决这个难题。目前四轴飞行控制技术已比较成熟，各种飞行控制模块已实现商品化，为这款飞行器的制作提供了方便。

1.飞行控制

四轴飞行器由四个旋翼提供升力，为了抵消螺旋桨造成的扭矩，使用了两个正桨、两个反桨。飞行控制器（飞控板）通过改变四个无刷电机的转速使机体倾斜一定的角度，从而产生水平分力推动飞行器平移，倾斜的角度越大，飞行的速度也越快。为了不让螺旋桨遮挡前进方向的摄像头，本飞行器采用了X型的飞行模式（图1）。

四轴飞行器的飞行系统与传统航模遥控设备兼容。只需要4通道遥控器的接收机与飞控板相连便可控制四轴飞行器的飞行。若要实现更多功能，最多可接8通道的接收机（图2）。

2.电子设备的选择和搭配

目前四轴飞行器所使用的飞控板品牌很多。比较流行的四轴设备搭配是：四个好赢天行者20A电调、四个2212无刷电机、2200mAh锂电池和8060正桨反桨各两个。从理论上来说，高KV值和小桨更利于四轴的快速反应。

3.四轴机架的制作

网上可以买到商品四轴机架，但全碳纤维的过于昂贵，全金属的价格也很高且过于沉重，全木质的又容易损坏，并且已有的设计都没能对螺旋桨加以保护。所以笔者决定重新设计制作。设想是：成本要低；质量要轻；螺旋桨在机架范围内，以免触碰物体损坏；风阻要小；底部空间要大，有利于安放抓斗等模块；有利于安装无线图像传输设备和摄像头。

机架主梁使用6根长1米、直径3毫米的实心碳纤维杆制作，用竹条将碳纤维杆中部按三角形方式撑起，在四周等距增加横梁，再添加斜梁。所有杆与杆的接头处都用线捆扎，要确保每根竹条都被捆扎数道，最后用502胶固定。以此类推向外延伸搭建（图3）。

将四轴反放在平地上，转动螺旋桨并测量桨尖的高度（图4），调整四根竹条，使螺旋桨旋转面与地面平行，用502胶将电机座、竹条、碳纤维杆粘牢，并确保四个螺旋桨旋转面在同一个平面上。

此机架尺寸虽大，但由于采用了轻质碳纤维杆配合竹条搭建的稳定的三角形结构，机架丝毫不会扭曲和变形。镂空的机架降低了风对飞行的影响，质量还比普通的商品塑料机架轻了几十克，成本也不足50元。四个螺旋桨全部位于机架内部，在狭窄区域飞行时不会因为触碰到物体而损坏（图5）。

4.抓斗的设计制作

笔者借鉴工业抓斗的结构特点设计了一款抓斗和一款抓钩，另外也可以吊挂磁铁捡拾铁质物体。三维建模绘图软件使用的是Rhinoceros（犀牛），然后用激光雕刻机切割椴木层板制作了六爪抓斗，三爪抓钩可用钢丝焊接制作（图6、图7）。

图8为绘制的抓斗图纸。抓斗的动作控制通过标准舵机实现。可适当延长舵机摇臂，以适应抓斗的动作过程。飞行时张开抓斗，利用无线遥控技术飞到目标物体上方（图9），然后利用飞行器上的摄像头进行定位，最后准确降落在目标物体上，拨动通道开关将抓斗收缩，抓起物体并飞回操作者身边。

5.超声波测距定高

为了避免飞行器在水面搜寻飞行时触水失事，可采用超声波测距模块帮助四轴飞行器定高飞行。超声波模块的探测距离为2～450厘米，精度可达到0.3厘米 。

超声波传感器固定于机架下方，需要正对着地面（图10）。飞行器悬停时，油门在某一位置不动，则自动转为高度锁定状态；当油门摇杆移动时，则自动解除高度锁定状态。有了超声波定高模块，飞行器就可以大胆地悬停在水面上进行救援活动，而不必担心误操作导致的飞行器入水事故了。

6.无线视频传输

采用性价比较高的700毫瓦、1.2吉赫信号的无线图像传输设备（图11），可避免干扰2.4吉赫的遥控器。视频发射距离在开阔地可达700～1500米。视频信号接收器接收到视频信号后通过USB接口的视频采集卡向电脑传送视频。

7.无线视频传输系统的连接

空中部分：四轴飞行器采用X型飞行方式，在前进方向的两个支架之间正好可以安放摄像头，其视线范围内不会出现机架或螺旋桨的影像。与摄像头对应的另两个支架间可安放视频信号发射器。视频拍摄与四轴飞行器共用动力电源（图12）。

地面部分：通过视频信号接收器接收到视频信号，然后通过视频采集卡的USB接口输入到电脑中（图13），这样操作者就可以在地面观察到飞行器视角的影像，为搜救、捡拾物品提供了参考，提高了准确性。

8.进一步完善的设想

下一步打算探索单片机远程控制机械手精确抓取物体，并利用GPS定位系统实现超视距飞行和搜救功能，实现按预定航线搜索和完成任务自动返回的功能。此外，还将设法增加飞行器的续航时间以便搜寻更广阔的空间。

9.应用前景分析

本飞行器不光可以在日常航模活动中捡拾掉落在屋顶和水面的小飞机模型，也可以用在野生动物园猛兽区这样的危险地带，捡拾游客不小心掉落的物品。还可以运用在灾难救援方面，如利用它进入泥石流或塌方地段进行探测和搜救，到天坑或火山口进行取样等。飞行器通过所携带的摄像头将图像资料无线传输给监控室，给安全地带的现场决策者提供帮助。