四旋翼无人机-无人机市场 国内创业者们的新 战场
杨信锟+郑元华
摘 要：八旋翼海岸救生无人机是具有物品投放功能的多旋翼无人机。八旋翼飞行器有八个螺旋桨，配备带云台摄像机和机械手，摄像机可实现航拍取景和空中监控等飞行任务，机械手可实现夹持、运输、投放物品任务。本文对此无人机的机械结构、系统设计、地面站等方面进行了介绍。
关键词：多旋翼；无人机；APM；物品投放
中图分类号：V275.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0062-02
八旋翼海岸救生无人机是一种多旋翼飞行器，伞形折叠结构，可单手提起，能在携带状态与工作状态之间迅速转换。采用垂直起降，对起飞环境要求较低，能在狭窄、恶劣的环境下执行任务。可执行空中监控取景、地形勘探、救生等飞行任务。海岸救生无人机搭配GPS、指南针模块进行飞行。可实现定点悬停、失控返航、航向锁定、返航点锁定等飞行控制功能。通过地面站可以设定航点进行全自动巡航。摄像头可将实时画面发送会地面站，一旦发现游泳者有异状可以立即施救，投放救生圈。
1 机械结构
采用框架结构保证稳固的机体。机身采用碳纤维材料，利用雕刻机切割组装形成机身。碳纤维具有抗拉强度高、质量轻、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等特性；基于以上特性，碳纤维与金属、树脂、陶瓷等复合形成的材料，具有高比模量、高比强度、导热、导电、耐疲劳等多种显著优势，在现代工业应用广泛[1]。
机身采用正八边形布局。在同等条件下，轴向平铺多旋翼能充分利用每个电机动力。本飞行器采用八轴结构，结构较为复杂。主控板位于中心，负责接收发射机的控制信号，收到信号后，通过控制总线分别控制八个电调，电调再将控制命令转化为电机转速，以达到控制要求。按照机载飞控系统来确定螺旋桨的正反与电机转动的顺序，机械结构上只需均匀分布重量，八电机保持在同一水平线上。
2 设备构成
见图1。电子设备包括飞行控制系统、动力系统、通信视频模块、导航系统、物品投放系统。飞行控制是整个控制系统的基础，核心组件就是飞行控制器，决定飞行的平衡及飞行状态，完成既定飞行任务。通信视频模块是无人机的眼睛，导航系统是无人机的耳朵，物品投放系统是无人机的手臂。动力系统包括电池、无刷控制器、无刷电机、螺旋桨四个部分。电池采用高储能锂电池。锂离子电池具有工作电压高、无记忆效应、重量轻、能量密度大、循环寿命长和无污染等优点，已成为电子产品电源的主力。蓄电池同时具备很好的荷电保持能力、高低温放电性能、倍率性能、安全性能与临近空间环境适应性[2]。
无刷控制器是无刷电机的驱动设备，作用是根据信号的变化来改变电机转速变化。此控制器可作为控制装置，为三相无刷电机提供封闭回路的換向控制信号，对电机速度进行控制的同时保护电机，无刷电机的控制器复杂度明显提升。因机理特点，无刷电机必须与无刷控制器协调工作。因为具备可维护性高、功率输出能力强等特点，无刷控制器成为电动航模的主要驱动机构。
通信与视频模块中搭载摄像机、云台、无线收发器等设备；对面站对飞行状态进行实时检测。摄像机用于收集需要捕捉的图像信息。云台作为摄像机的自动稳定系统，同时满足多个自由度的运动。在图像传送回地面之前，飞行信息以文字形式，通过飞控系统的图像叠加器（OSD）叠加在图像上；地面控制人员通过监控屏幕看到实时图像，观察飞机的状态信息。
体内置三轴惯导陀螺、GPS、高度计等精密传感器；具有垂直起降、自动驾驶飞行、GPS悬停、Carefree操控等功能。
物品投放系统主要由机械手构成。机械手由驱动与执行机构、控制系统组成。根据被抓持物件的重量、尺寸、形状、材料与作业要求而具有多种结构，如夹持型、吸附型与托持型等。手部基于运动机构完成各种转动、移动或复合运动，以此实现既定动作，改变被抓持物件的位置与姿势。通过对机械手每个电机的控制，控制系统完成动作要求；通过接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统所要控制的功能由主控芯片编程实现[3]。本无人机的机械手采用托持型，运动机构主要由舵机来实现。舵机型号不同，所能托持的重量也不一样。
3 飞控系统
采用APM（ArduPilotMega）2.8作为飞控系统[3]，具有自动起飞、降落、返航，航点航线飞行等多种性能。APM支持多种载机，如多旋翼、固定翼、直升机等，可搭配地面控制站使用。Arducoper模式支持直升机与多旋翼（包括三轴、四轴、六轴、八轴等），ArduPlane模式支持固定翼飞机。地面站可进行固件与在线调参升。APM与地面站之间使用全双工无线数据传输系统，可建立数据链，以构成无人机自动控制系统。APM具有人性化的图形地面站控制软件，通过MicroUSB线或无线数传连接就可进行设置和下载程序到MCU中。APM支持编程下载，使用Arduino可进行自由编程下载。
ArduPilotMega自动驾驶仪MCU采用8bitATME GA2560，整合三轴陀螺仪与三轴加速度的MEMS传感器MPU6000、高度测量采用高精度数字空气压力传感器MS-5611、16MB的存储器AT45DB161D及HMC5883 三轴磁力计。具有8路PWM控制输入、11路模拟传感器输入及11路PWM输出（8路电调电机+3路云台增稳）。如图2所示。
APM有OSD模块，可将速度、姿态、模式等重要数据叠加到图像上实时回传。
4 结语
八旋翼海岸救生无人机可实现精准投放药品、急救包、救生衣、救生艇等物品，可协助消防队、救援队等机构共同实救，改变救生理念，有很强的现实意义。
参考文献
[1]黎小平，张小平，王红伟.碳纤维的发展及其应用现状[J].高科技纤维与应用，2005，5：14-40.
[2]丰震河，黄莉，宋缙华，王可，解晶莹.高效储能锂电池技术研究.高分辨率对地观测学术年会，2013.
[3]赵杰.无位置传感器无刷直流电机控制系统的研究[D].哈尔滨理工大学，2014.
