摘? 要：近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的成熟，多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，在軍用及民用領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。該文提出了一種基于四旋翼無(wú)人機(jī)的空中移動(dòng)載物系統(tǒng)，利用多旋翼無(wú)人機(jī)、計(jì)算機(jī)和多個(gè)模塊的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的目的，能夠大幅度提高多旋翼無(wú)人機(jī)的利用率。

關(guān)鍵詞：多旋翼無(wú)人機(jī)  無(wú)人機(jī)控制  一機(jī)多用  無(wú)人機(jī)通訊  掛載系統(tǒng)

多旋翼無(wú)人機(jī)由于具有垂直起降、自由懸停、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，多旋翼無(wú)人機(jī)理論自20世紀(jì)10年代被提出以后便引起了人們極大的興趣。近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的成熟，多旋翼無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，在軍用及民用領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力[1]。

目前多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用面非常廣，但是它的利用率并不高。比如，植保無(wú)人機(jī)無(wú)法在婚禮現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高清航拍，只因植保機(jī)掛載的是噴霧系統(tǒng)，而不是高清攝像機(jī)。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了無(wú)人機(jī)的利用率。能否設(shè)計(jì)一個(gè)新的無(wú)人機(jī)載物機(jī)構(gòu)，能夠讓多旋翼無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的場(chǎng)景中靈活切換運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目的，提高無(wú)人機(jī)的模塊化和自動(dòng)化水平，從而提高多旋翼無(wú)人機(jī)的使用率以及使用場(chǎng)景。多旋翼無(wú)人機(jī)可以應(yīng)用在抗震救災(zāi)中。以往可能需要多臺(tái)無(wú)人機(jī)配合來(lái)完成抗震救災(zāi)任務(wù)，但是使用新的無(wú)人機(jī)掛載系統(tǒng)后使用單個(gè)無(wú)人機(jī)就可以更換相機(jī)、熱感應(yīng)、聲納、激光掃描儀等掛載模塊進(jìn)行不同的工作;夜間可以掛載燈光實(shí)現(xiàn)臨時(shí)照明。我們會(huì)以此類(lèi)問(wèn)題為中心進(jìn)行詳細(xì)探索，以理論與技術(shù)相結(jié)合的手段，嘗試制作模型，以驗(yàn)證它的應(yīng)用。

1  背景

隨著資源的緊缺，多功能用途的產(chǎn)品越來(lái)越多，人們對(duì)于多功能用途的產(chǎn)品也越來(lái)越感興趣，但是多功能用途的產(chǎn)品存在著成本高、使用率低、設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題。

在現(xiàn)今這個(gè)高新技術(shù)盛行的時(shí)代，無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，各種技術(shù)、設(shè)計(jì)層出不窮，比如數(shù)字建模技術(shù)、3D打印技術(shù)等。多旋翼無(wú)人機(jī)的懸停性能、續(xù)航時(shí)間、載荷、控制距離都比原來(lái)有了很大的提升，多旋翼無(wú)人機(jī)已相當(dāng)成熟，可以完成某些特定的復(fù)雜任務(wù)。

3D打印技術(shù)的普及、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展就是一個(gè)機(jī)會(huì)，我們可以根據(jù)需要，定制掛載模塊，并內(nèi)置一個(gè)控制模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)于掛載設(shè)備的統(tǒng)一管理。

2  控制系統(tǒng)架構(gòu)

多旋翼無(wú)人機(jī)采用PIXHawk作為飛行控制器，該控制器擁有168MHz的運(yùn)算頻率，并突破性地采用了整合硬件浮點(diǎn)運(yùn)算核心的Cortex-M4的單片機(jī)作為主控芯片，內(nèi)置兩套陀螺和加速度計(jì)MEMS傳感器，互為補(bǔ)充矯正，內(nèi)置三軸磁場(chǎng)傳感器并可以外接一個(gè)三軸磁場(chǎng)傳感器，同時(shí)可外接一主一備兩個(gè)GPS傳感器，在故障時(shí)自動(dòng)切換[2]。從而具備高精度定位、導(dǎo)航和自主飛行的能力。

掛載系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)作為控制核心，Arduino是靈活性高、容易開(kāi)發(fā)、穩(wěn)定性強(qiáng)的電子開(kāi)發(fā)原型平臺(tái)，Arduino可以獲取各類(lèi)傳感器的電信號(hào)，并可以輸出電信號(hào)控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)指定功能[3]。

多旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)與掛載系統(tǒng)控制核心相互獨(dú)立，以提高無(wú)人機(jī)飛行、掛載系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;利用地面站、遙控器與飛行控制器、掛載系統(tǒng)控制核心進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行、掛載系統(tǒng)動(dòng)作的控制。

3  通信系統(tǒng)架構(gòu)

采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的ZigBee通信技術(shù)，將飛行控制器、Arduino控制器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆孛嬲镜目刂浦噶钜部赏ㄟ^(guò)通信系統(tǒng)上傳至Arduino控制器，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

Arduino控制器與掛載模塊之間采用觸點(diǎn)接觸的通信方式，將各種信號(hào)、指令傳輸至掛載模塊，掛載模塊通過(guò)觸點(diǎn)接觸將各類(lèi)傳感器采集的信號(hào)傳輸至Arduino控制器。

若多旋翼無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)所需飛行距離超出控制距離，可通過(guò)地面站向無(wú)人機(jī)飛行控制器和掛載系統(tǒng)控制核心發(fā)送所需的任務(wù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，提高了多旋翼無(wú)人機(jī)的靈活度。

4  掛載系統(tǒng)架構(gòu)

通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)的載物能力，將一種或多種掛載模塊帶入空中，多種掛載模塊同時(shí)空可以相互配合完成較為復(fù)雜的任務(wù)，掛載模塊可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)所需執(zhí)行任務(wù)隨時(shí)更換掛載模塊;預(yù)留多功能接口，可擴(kuò)展被掛載模塊。

（1）空中喊話系統(tǒng)：獨(dú)立的信號(hào)放大電路，將控制核心輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)定向喇叭進(jìn)行喊話;在大范圍通知下達(dá)等領(lǐng)域充分利用。

（2）空中投影系統(tǒng)：遠(yuǎn)程播放的投影系統(tǒng)，根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行特點(diǎn)設(shè)計(jì)穩(wěn)定器、自動(dòng)焦距調(diào)節(jié)程序;在宣傳片的放映等領(lǐng)域充分利用。

（3）空中照明系統(tǒng)：通過(guò)控制核心控制的繼電器，集成高亮度LED、外掛電源進(jìn)行供電以盡可能地減少多旋翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性的影響，并可在俯仰軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，可執(zhí)行緊急照明任務(wù)。

（4）空中信號(hào)中繼系統(tǒng)：攜帶自組網(wǎng)平臺(tái)、集群微型基站、微型基站等多種通信設(shè)備的中繼系統(tǒng)模塊，通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)搭建應(yīng)急通信中繼系統(tǒng)，減少某一區(qū)域因通信系統(tǒng)故障導(dǎo)致的影響。

（5）空中投放系統(tǒng)：一款動(dòng)作機(jī)構(gòu)，通過(guò)地面站進(jìn)行控制;利用無(wú)人機(jī)的載物能力，實(shí)現(xiàn)空中投放任務(wù)。

5  結(jié)語(yǔ)

掛載模塊標(biāo)準(zhǔn)的不同導(dǎo)致多旋翼無(wú)人機(jī)的工作效率低下，針對(duì)此問(wèn)題我們可以設(shè)計(jì)功能不同但標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的掛載模塊，利用數(shù)字建模和3D打印技術(shù)對(duì)掛載模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，從而根據(jù)需求快速制作掛載模塊，快速進(jìn)行使用;采用軟硬件相互配合，降低了系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

以多旋翼無(wú)人機(jī)作為載體，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的多功能掛載模塊實(shí)現(xiàn)空中投影、空中照明、航拍、空中喊話、通信中繼、空中投物等功能;可用于舞臺(tái)效果的制作、廣告宣傳、交通疏導(dǎo)、應(yīng)急通信等場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏麗娜，寧會(huì)峰，陸旺，等.多旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（9）：1-4.

[2] 李大偉，楊炯.開(kāi)源飛控知多少[J].機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，2015（3）：83-93.

[3] 王臻，李建軍，康輝，等.基于Arduino的電驅(qū)精密播種控制系統(tǒng)[J].中國(guó)科技信息，2019（18）：82-83.