一种海、陆、空三栖 四旋翼飞行器的模型建立与系统设计

一种海、陆、空三栖 四旋翼飞行器的模型建立与系统设计

黄刚 曹春顺

安徽信息工程学院 安徽芜湖 241000

摘要：一种海、陆、空三栖四旋翼飞行器的模型建立与系统设计，采取车轮中空的方式将旋翼与车轮合理的设计为一体，然后在车轮外部设计凹槽用以装置桨叶，使之能够分别进行爬行、飞行、游行三种模式，以达到一机多用、满足多任务环境的需求。有着结构简单、空间设计优化、实用性和便利性强、造价低效益高、绿色环保、用途广泛、能满足多任务环境的需求等优点。

关键词：四旋翼 飞行器 模型建立 系统设计

引言：

飞行器是一个快速发展的领域，例如多旋翼飞行器正在迅速普及。事实上，四旋翼飞行器已经成为世界范围内机器人研究的标准平台。随着科技不断进步，自主导航的四轴飞行器得到了迅速发展、四旋翼飞行器只能通过改变各螺旋桨的速度来实现各飞行动作，因此四旋翼的状态决定了它的飞行轨迹。本项目是设计制造一种多任务环境四旋翼飞行器，其多环境适应性是主要特点之一，适用于水、陆、空多种复杂环境。通过良好的空间优化设计，将飞行、爬行以及游行模式进行一体化设计，以满足该飞行器在各类任务环境下的工作能力。

1.国内外飞行器研究理论与实践

在国外有很多高校和研究机构对四旋翼飞行器进行了研究，并取得了一定的成果。2007年MIT（麻省理工学院）实现了一台地面装备对多架四旋翼飞行器的操控，并用于监控和追踪车辆和地面目标，使用IMU惯性测量单元进行姿态测量，激光扫描阵列用于周围环境感知、重建并规划飞行航线。另外还有美国Draganflyer公司的Draganflyer系列遥控模型、法国派诺特公司的AR.Drone遥控模型。在我国，国防科技大学对四旋翼飞行器的控制模型进行研究，完成了原型机的设计制作以及动力学模型、控制算法的建立和仿真。使用反步法和自抗扰控制器设计了飞行姿态控制器，实现了悬停、航迹跟踪飞行等基本功能。南京航空航天大学建立了四旋翼飞行器数学模型，采用了多种控制方式，通过仿真，取得了较为良好的结果。哈尔滨工业大学首先建立了小型四旋翼飞行器的非线性模型和准LPV线性模型，之后提出了使用回路形成控制器算法，并且对模型和控制算法进行了仿真。

2.三栖四旋翼飞行器的模型建立

作品选用+12V直流电源由六节输出电压为+2V碱性锌锰可充电干电池串联而成，配有充放电接口，在电池有电的情况下，机构运动的动力完全由该电池组供电；在电池低电量时，关闭电池组对外输出供电，改为太阳能充电宝来供电。本作品中的辅助动力部分就是通过太阳能电池板来获得外界的绿色的太阳能能源，并存储在充电宝当中，以备在直流电源处于低电量时继续给运动机构提供动力。该太阳能充电宝具有太阳能利用率高、储电能力强、充放电接口多、安全可靠性好等优点，并且在顶部还具有电量指示灯，供使用者知悉电量的多少。

3.三栖四旋翼飞行器的系统设计与创新点

多任务环境四旋翼飞行器的多环境适应性是关键特点之一，适用于水陆空多种复杂环境，无人飞行器在侦察与营救任务，地质，林业病虫害防治，以及视频监控，影视制作等任务中对飞行器的环境适应能力提出了很高的要求，然而目前国内外的四旋翼飞行器多只适用于空中飞行的单一模式，显然无法满足要求，但是多任务环境四旋翼飞行器能很好的满足这一点，更加灵活的完成任务要求。国内外对于无人飞行器已经进行了很多的研究，有些技术已很成熟，但是多局限于飞行领域，鲜有去关注适用于水陆空多种环境的飞行器，对于一些环境不是单一飞行就能完成的，因此多任务环境四旋翼飞行器能很好的弥补这一空白领域。

研究目标：目前无人机创业公司愈来愈多，走在技术潮流前端的无人机，在市场上的需求量持续增长，而就目前市场销售和同类研究水平来看，现有的无人机大多是传统的单一运行模式，而且价格较高、结构复杂，不能满足多种任务环境的需求，产品自身局限性较大。为了打破传统的单一运行模式，弥补当前飞行器领域的工作局限性，满足在多种任务环境下都能工作的需求，设计了一款结构优化的飞行器——多任务环境四旋翼飞行器。

主要内容：本作品充分利用空间优化设计，采取车轮中空的方式将旋翼与车轮合理的设计为一体，然后在车轮外部设计凹槽用以装置桨叶，使之能够分别进行爬行、飞行、游行三种模式，以达到一机多用、满足多任务环境的需求。而且，电动机和车轮采取齿轮啮合传动，使得传动更加平稳、效率更高。这样一来，无论是类似下水道的狭小空间，还是地面坎坷的野外森林以及大面积水域和天空等多种环境，我们的多任务环境四翼飞行器都能够根据不同的环境采取不同的运行模式完成不同的任务。

4.三栖四旋翼飞行器拟解决的问题

在现实生活中，本作品能更好地发挥它的价值和作用。例如：当下水道需要疏通而里面情况不明时，就可以使用我们的作品，结合它的游行模式和爬行模式进入下水道，利用摄像头和红外传感系统对下水道的具体情况进行侦测，以此代替人工作业，降低工作难度。当需要在大面积农田中查看局部农作物病虫害等情况时，可以采用本作品的飞行模式，对局部农作物进行观测，减少工作量。当矿井或是窑洞中出现坍塌事故等险情时，可以结合使用本作品的飞行模式和爬行模式进入矿井或是窑洞进行人员搜救，防止矿井或窑洞再次坍塌给人工作业带来的危险。除此以外，它还能进行丛林穿梭、探险等任务。在多任务环境飞行器匮乏的情况下，

5.三栖四旋翼飞行器市场推广价值

本设计有着结构简单、空间设计优化、实用性和便利性强、造价低效益高、绿色环保、用途广泛、能满足多任务环境的需求等优点。而且无论是在中小型企业还是在个人家庭里都有很好的市场前景，是一款极具推广价值和使用价值的作品！在同类研究作品中，无论在哪个方面我们的作品都有很大的优势，所以我们的作品必将能够引导科技潮流、成为同类飞行器中的王者。

参考文献：

张广玉，张洪涛，李隆球，等．四旋翼微型飞行器设计 [J]．哈尔滨理工大学学报，2012，17（3）：111-114．

[2]周俊涛.四旋翼飞行器飞行控制系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2012.

[3] 薛鹏，任鹏飞，曹学儒，等．微型四轴飞行器的设计与实现 [J].河南工程学院学报（自然科学版），2016，28（2）：39-42.

[4] 白立群，李成铁，周剑峰．基于 STM32 的飞行控制器系统设计 [J]．计算机应用，2013，32（2）：15-33．

基金项目：获得2018年度国家级大学生创新创业训练计划项目资助

项目编号：201813613173

作者简介：黄刚，男，中共党员，机械工程学院，机械设计制造及其自动化专业

曹春顺，男，讲师，中共党员，研究方向：学校体育学。