四旋翼飞行动作分析及避障功能扩展

2018-01-31赵毅廖柏林毛凯文

科技视界 2018年30期

赵毅　廖柏林　毛凯文

【摘要】无人飞行器因其结构简单、操作便捷等优点而在生活中有广泛的应用，因此对无人飞行器的结构、原理以及飞行动作进行探讨具有较好的现实意义。四旋翼飞行器作为小型无人飞行器的代表，拥有较为简单的结构和相对优秀的平衡能力，故论文对四旋翼飞行器的结构、原理以及飞行动作进行详细探讨。特别地，论文还从理论上对四旋翼飞行器的飞行动作进行了深入的受力分析。基于以上分析，论文对arduino芯片与简单四旋翼飞行器的融合方法进行研究，并基于arduino MEGA 2560芯片进行避障功能扩展。

【关键词】四旋翼飞行器；原理；结构特点；飞行动作；Arduino芯片；避障

中图分类号： V249.1；V279 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0048-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.021

Four-rotor Flight Action Analysis and Obstacle Avoidance Function Expansion

ZHAO Yi LIAO Bo-lin MAO Kai-wen

（College of Information Science and Engineering，Jishou University，Jishou，416000，China）

【Abstract】Unmanned aerial vehicles have a wide range of applications in life because of their simple structure and convenient operation.Therefore，it is of great practical significance to explore the structure，principle and flight movement of unmanned aerial vehicles.As a representative of small unmanned aerial vehicles，the quadrotor has a relatively simple structure and relatively good balance ability.Therefore，the paper discusses the structure，principle and flight movement of the four-rotor aircraft in detail.In particular，the paper also theoretically conducted an in-depth analysis of the flight behavior of the quadrotor.Based on the above analysis，the paper studies the fusion method of Arduino chip and simple quadrotor aircraft，and expands the obstacle avoidance function based on Arduino MEGA 2560 chip.

【Key words】Four-rotorcraft；Principle；Structural characteristics；Flight action；Arduino chip；Obstacle avoidance

0 引言

随着科技的发展，信息的重要性也开始凸显，越来越多的研究人员开始研究信息的采集、处理与反馈[1-4]。无人飞行器在获取地面图像信息上有着无与伦比的优势，越来越多的研究人员开始对它的原理、PID控制[5-6]、飞行动作进行详细建模分析[7]，其中也产生了一些对于四旋翼的经典分析模型，也有研究人员对导航信息处理进行研究[8-9]。民用无人飞行器应用主要以无人飞行器搭载高清摄像头来实现摄像、航拍[10]、农业检测、灾害搜救等方面的功能，而军用无人飞行器则主要应用于对军事目标的侦察、跟踪、定点清除等方面。四旋翼飞行器因其结构的对称性以及正反桨的应用使其具有相对优秀的平衡能力与较为简单的操作方法，这也是四旋翼飞行器[11]占民用飞行器市场较大份额的原因之一，本文主要就四旋翼飞行器的原理、结构特点以及飞行动作进行分析，但四旋翼飞行器的主流价格并不低，其原因主要有两点，一是飞控芯片与控制芯片价格相对较贵，二是不开源导致有较高专利费用。Arduino是一个方便灵活、极易上手的开源平台，包含有软件Arduino IDE和各种型号的Arduino开发板，论文对Arduino 芯片与简单四旋翼飞行器的融合方法进行研究，并基于Arduino MEGA 2560芯片进行避障功能扩展。

1 四旋翼飞行器结构及原理

1.1 四旋翼飞行器结构

四旋翼飞行器也被称为四旋翼直升机，是一种六自由度的垂直升降机，因其在四个输入力的作用下会产生六个状态输出所以四旋翼飞行系统也是一种欠驱动系统[12]，其原理是通过改变四个电机的转速来调节四个电机所提供升力的大小和方向，以此实现合力的变化，从而控制飞行器的姿态、速度、位置等，其基本构架是由四个两两对称旋臂搭载四个电机所组成，由旋臂结构的不同分为十字形与X字形，其主要区别在于十字形稳定性相对较强，X字形相对灵活性较好[13]。

1.2 四旋翼飞行器原理

目前直升飞行器通过控制電机旋转来提供空气反作用力的起飞方式所面临的最大问题是电机旋转不仅会产生竖直方向的升力，还会产生水平方向的空气扭矩力与惯性扭矩力，如不加控制便会产生飞行器绕某一方向疯狂自转的陀螺效应[14]，因此大多数直升机会采用增加额外控制部件来抑制陀螺效应，比如引入尾桨来抵消扭矩力[15]。

四旋翼飞行器的对称结构使不引入额外部件抵消扭矩力成为可能，通过控制两个相对电机逆时针旋转并搭配反桨，另外两个相对电机顺时针旋转搭配正桨，来相互抵消空气扭矩力与惯性扭矩力，从而抑制飞行器的陀螺效应。

2 四旋翼飞行器飞行动作

四旋翼飞行系统作为一种欠输入系统，其在四个输入力的作用下可以产生垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动这六种输出状态[16]。其飞行动作皆可通过控制电机转速来实现，本文着重介绍垂直运动、俯仰运动、偏航运动。

2.1 垂直运动

在描述图中规定沿X轴正方向运动为向前运动，箭头在旋翼运动平面的上方代表此电机的转速提高，在旋翼运动平面的下方代表此电机的转速下降，定义旋转方向为以面对旋转轴正方向时所观察到的旋转方向为飞行器旋转方向，定义电机1和电机3作逆时针旋转并搭载反桨，定义电机2和电机4作顺时针旋转并搭载正桨。

如图1所示，理论上四旋翼飞行器实现垂直运动是通过控制四个电机同时增加输出功率，使四个旋翼的转速都增加来增大总升力，当总升力足以克服飞行器总重力时，四旋翼飞行器便会离开地面做垂直上升动作；反之，同时减少四个电机的输出功率，当总升力不足以克服飞行器总重力时，四旋翼飞行器便会做垂直下降动作；当外界扰动量[17]为零，且旋翼所产生升力等于飞行器总重力时，飞行器便保持悬停状态。

应当注意此为理想情况，实际上由于飞行器处于一个未知的开放环境当中，往往会存在某方向的自然风，在这个自然风的影响下，飞行器会处于一个不平衡状态，可能会引起定向漂移或者失控，因此需要通过改变相应电机转速来引入一个反向分量去平衡这个自然风所引起的偏移量[18]。

2.2 俯仰运动

如图2所示，四旋翼飞行器实现俯仰运动是通过增加电机1的转速，降低电机3的转速，保持电机2的电机4的转速不变来实现。由于電机2、电机4所受空气反作用力不变，电机1所受空气反作用力增加，电机3所受空气反作用力减少而产生的不平衡力矩会使机身绕Y轴顺时针偏转一定角度飞行，同理，当电机1转速下降，电机3转速上升时机身便会绕Y轴逆时针旋转一定角度飞行，如图3所示为其飞行受力图。

由受力分析可知，只要有倾角产生，便会有水平方向的水平分力，也会由此产生一个加速度，也就是说无人机俯仰的速度会越来越大，如果向下速度过大会导致无人机无法及时拉升从而坠落损坏，因此俯仰运动一般不能产生较大倾角[19]。

2.3 偏航运动

如图4所示，旋翼转动过程中由于存在空气阻力，因此会形成与转动方向相反的反扭矩，因此减小电机2和电机4的转速即会减小逆时针方向的空气反扭矩力，而增大电机1与电机3的转速则会增大顺时针方向的空气反扭矩力，综合而言，四旋翼飞行器会产生一个富余的扭矩力使飞行器沿Z轴旋转，具体受力如图5所示。当富余扭矩力为顺时针方向时，飞行器便会顺时针旋转，当富余扭矩力为逆时针方向时，飞行器便会逆时针旋转。

2.4 其他运动

四旋翼飞行器的滚转运动与俯仰运动原理相似，保持电机1和电机3的转速不变，增大电机4的转速，减小电机2的转速，便会产生不平衡力矩，使机身绕X轴顺时针旋转；同理，减小电机4的转速，增大电机2的转速则会使四旋翼飞行器绕X轴逆时针旋转。

前后运动、侧向运动与俯仰运动原理也相似，可以看成是俯仰运动的一种特殊情况，即Z轴方向升力之和始终等于飞行器的重力，为保持Z轴方向升力之和不变，每个倾角都会对应一个固定的转速，要想达到固定倾角，则需要调节对应的电机转速使它达到倾角所对应的值，而俯仰运动的转速可以变化。

3 四旋翼飞行器系统构架

图6所示为X形四旋翼飞行器，它的飞行系统由通信模块，数据处理模块，数据采集模块，动力模块所组成。

数据采集模块主要由加速度计、陀螺仪、GPS定位芯片组成，可以提供位置、加速度大小与方向、9轴倾斜角度等数据。这些数据可以帮助数据处理模块更好的控制动力模块，从而更为精准的做出上文所描述的飞行动作。

动力模块主要由电源、电调、电机组成，是四旋翼飞行器升力提供源，通过接收信息处理模块发出的PWM信号来调节相应电机转速，从而直接控制飞行器飞行动作与速度。

信息处理模块主要包含控制芯片与飞控程序，民用飞行器一般会采用已经商业化的飞控芯片作为信息处理模块。信息处理模块作为四旋翼飞行器的核心部件，是四旋翼飞行器的指挥中心，起到控制信息采集模块、动力模块、通信模块协同工作不冲突的作用。从信号控制角度来看，信息处理模块是遥控数据的中转站，起到解析控制需求并转发给动力模块的作用；从飞行系统角度来看，信息处理模块是稳定飞行的核心控制器，是集信息接收、处理、发送于一体的集成器件，是稳定飞行的基础。

4 基于arduino芯片扩展的四旋翼飞行器

简单四旋翼飞行器只需要电源、通信模块、飞控芯片、动力模块组成，通过遥控器把需要实现的飞行姿态通过电信号发送给飞控芯片，飞控芯片再把飞行姿态解析为四个电动机的转速，再通过电流来控制电机转速的变化，从而实现飞行姿态的控制。

要想在简单四旋翼飞行器中融入Arduino芯片，需要让Arduino芯片作为控制信号必须经过的一个场所，论文选择在控制信号被接收机接受后先传送给Arduino芯片，再通过Arduino芯片将控制信号传送给飞控芯片解析成电流大小。要想躲避障碍物首先得知道哪儿有障碍物，可通过增加测距模块来实现障碍物方位、距离等信息的采集，并通过Arduino芯片来做数据分析与处理从而实现避障功能。

5 结论

论文扩展的四旋翼飞行器避障功能可以实现飞行过程中躲避空中的树枝等有空隙的障碍物，但由于设计的避障程序并没有考虑遇到没有空隙的障碍物的情况，因此如果遇到墙壁等没有空隙的障碍物时只能靠操作者自主躲避，曾想模仿二维走迷宫的算法使用堆栈存储路径做到自主寻路，但是由于空中环境的复杂性与四旋翼飞行器自身的限制，暂未发现高效算法来实现。四旋翼飞行器因其结构的对称性以及正反桨的应用使其对比其他飞行器具有相对优秀的平衡能力与较为简单的操作方法，可以预见随着无人机的发展，在未来生活中它将会越来越大众化，为人类带来越来越多的便利，因此对四旋翼飞行器的结构、原理以及飞行动作进行探讨具有较好的现实意义。

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