四旋翼无人机带机械臂的设计与研究

鲍佳松

摘要：四旋翼无人机已经进入了众多的应用领域，在国家建设以及工程中扮演着越来越重要的角色。目前研究四旋翼无人机姿态及机身设计的文章较多，但是很少有带机械手臂的无人机。因此，本文采用了以往常见的无人机模型，设计出机械手臂，既能保证无人机飞行过程的平稳性，而且保证抓取东西的快速、准确性。本文不仅设计了无人机的整体形态，而且选择了适合无人机飞行的硬件设施，为工程应用打下了基础。

关键字：四旋翼飞行器;机械手臂;抓取;硬件设施

一、前言

目前，国内外研究无人机的人员越来越多，先进的无人机也层出不穷。但是大多数研究者只是关注于飞行姿态、飞行稳定性，而带有机械手的无人机则研究较少。在近年来，无人机不管是在飞行姿态、操纵系统、稳定性设计等都有长足发展，但是带有机械手的无人机动态操作等问题还比较突出。

在设计研究当中，无人机加上先进的操纵手臂之后，不仅改变了飞行器的整体重量，而且对于飞行中的控制提出了较大问题。在无人机飞行过程中，抓取动作的准确性、稳定性是考虑的重要问题。比如说，无人机在告诉的飞行中，对于其飞行速度与飞行的时间要求比较高，这就要要求无人机能够快速、及时地抓住物体，而且有时还需要对目标进行监视，这样就会避免因为噪音而引起的注意。除此之外，无人机动态抓握功能可以扩展到实时栖息，这可以用来快速地躲避大风、通过减少悬停时间来提高续航时间。

华北电力大学张虎[1]等在众多无人机研究的基础上，利用四旋翼飞行器作为基本结构，进行改进与创新，研究了一种飞滑式输电线巡检机器人，这种无人机结合了现有的四旋翼飞行器与巡线机器人优点的具有飞行与线上滑行巡检功能的机器人。Justin Thomas团队[2]在多年观察仿生机械的基础上设计研究了一种采用被动机制的机械手爪，这种手爪在抓取中能够不受外界环境的干扰，同时在垂直起飞和着陆系统中启用被动栖息的设计上采用了优化分析;Courtney E. Doyle团队[3]在多年针对放生机械研究的基础上，在无人机上加入了受到控制的附属物，使其能够高速地锁定对象并进行抓取。

本文以无人机整体设计为核心，分别对无人机的控制系统、工作原理及控制做出介绍，合理选择适合无人机的硬件，对工程应用具有较大的指导价值。

二、无人机总体设计

1.无人机控制系统组成

在整个的无人机系统当中，系统通过无线电与地面实现通信。在四旋翼无人机下方设置机械手，通过舵机控制其运动[4-6]。操作人员可以在地面输入指令，进而控制飞行器的飞行状态。同时，控制器还可以控制机械手的动作，实现抓举、松开等动作

2.无人机飞行器工作原理

四旋翼飞行器由四个螺旋桨驱动，螺旋桨分别有独立电机带动。在控制系统当中，旋转的力矩与平移动作实现了耦合。如果排除外界扰动，旋翼就能够产生与重力相等的升力，飞行器便处于悬停状态[7]。同时另外一组螺旋桨一个速度增大，一个速度减小就会产生俯仰和滚动的姿态;两组螺旋桨阻力矩的差异产生偏航姿态。

3.机械手控制

机械手的控制是此次设计的关键。手爪的设计要顾及到飞行器的相对移动速度，这样就能够获得相应的载荷;同时要考虑到其栖息能力，适应不同的环境，能够在广泛的区域停留。

4.无人机整体效果图

三、硬件系统选择

1.电调的选择

电调一般选择性能较高的无刷电子调速器。首先，电调的选择要考虑到无人机工作的功率，其次要考虑续航能力与载荷，因此选择无刷电机来与之匹配。。

2.电池的選择

旋翼无人机所采用的电池为锂电池，全称为“锂聚合物电池”（又称高分子锂电池），相对于其他比较传统的电池来说，其重量轻、续航时间长，这样就能更加好地实现应用。

3.遥控器选择

无人机遥控器一般选择美国的手遥控器以及日本的手遥控器。同时，遥控器可以控制多个目标，如果接收机损害之后也能采用其他的遥控器所取代，不用再换遥控器，只需要进行简单的对码设置即可[8]。即遥控器发射的信号接收机能收到并进行解码，并非任何遥控器都可以对上任意的接收机，应根据制造商的规定，不同遥控器系列对不同接收机系列对码有相应的要求。

四、结论

此次的设计主要是对无人机整体、手臂的设计等进行研究，设计还是在理论基础上进行设计，并没有进行较多的验证，因此没有实物参数进行支撑，因此，它在实际环境中的稳定性和抗干扰能力还有待进一步的研究。同时，文章中选取了电调、电机及遥控器的选择，针对无人机轻量化的研究还可以选择7075不锈钢铝材、碳纤维管等轻质材料。

参考文献：

[1]张虎.飞滑式输电线路巡线机器人控制系统研究与实现[D ].北京：华北电力大学，2014.

[2]程敏.四旋翼飞行器控制系统构建及控制方法的研究[D ].大连：大连理工大学，2012.

[3]刘志军.一种自主飞行四旋翼系统设计与实现[D ].西安：西安科技大学，2014.

[4]郝文杰，刘浩，程吉利.基于红外探测的四旋翼飞行器保护装置设计[J].电子制作，2014，（08）：17-18.

[5]张家琪.四旋翼直升机姿态运动控制研究[D ].沈阳：东北大学，2009.

[6]程雪工 . 六旋翼无人飞行器设计[D]. 西安：西安电子科技大学，2013.

[7]聂波纹 . 微小型六旋翼无人飞行器模型及表示方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2013.

[8]谭号云 . 控制工程学第三版[M]. 长沙：湖南大学出版社，2013：59-92.

（江苏师范大学 江苏徐州 221000）