四轴飞行器可行性分析

实时状况反映飞行器——可行性分析报告杨奕（组长）韩志梁根鑫王禹欣【实用背景】对于我们的航模，我们有两种实用思路。第一：从汶川地震开始，我们关注到，在许多地区发生灾害后来，多个通讯设备无法使用造成与外界的交流阻断，同时受灾地区交通阻塞，救援队伍无法进入勘察受灾状况。于是，我们想到使用小型的遥控航模附带上实施航拍以及GPS导航功效，快速及时地反映那些对外交流困难的受灾地区的受灾状况，从而更有助于救援行动的开展。第二：当代交通业的快速发展和膨胀造成了公路拥堵现象越发严重。特别是经历了十一假期个全国性交通堵塞，我们深感及时的理解前方路况让车辆分流有多么重要。并且，现在的都市道路上都已经装上摄像头，这些设备能够协助交通部门管理都市道路。但高速公路上缺少这样的设备。并且高速公路路况可能变化很快，这更需要某种机制能够协助疏导车流。因此，我们构想，与交通部门获得联系，在我们完毕航模之后，借用交通部门高速公路上的网络端口，将拍摄的图像实时传输回来，以确保车辆的快速通过。【预算分析】四轴机架带陀螺仪251飞控板250元无刷电机4*100=400电调4*88=352正反桨2*24=48锂电池120元平衡充电器188元7通道遥控器及接受器600元舵机16*2=32平板天线67.8无线电视频传输设备540微型彩色摄像头200杂费500总造价约3548.8元【航模飞行可行性】通过调查，我们发现，四轴飞机的稳定性和可控制性都比较好，因此，我们选择四轴飞机作为航模。四轴/多轴飞行器原理不复杂，以四轴为例，四个桨构成一种旋翼平面，靠飞控板控制每个动力组的输出，来控制旋翼平面的倾斜，靠升力的分力来变化飞行方向：四轴飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后左右四个方向，四个旋翼处在同一高度平面，且四个旋翼轴距几何中心的距离相等，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。当对角两个轴产生的升力相似时能够确保力矩的平衡,四轴不会向任何一种方向倾转;

而四个电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡,确保了四轴航向的稳定。四个电机的转速做对应的变化即可实现四轴在横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动：四个桨产生的推力,超出或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动,当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停.

当四轴需要向前方运动时,2,4号电机保持转速不变,3号电机转速下降,1号电机转速上升,此时1号电机产生的升力不不大于3号电机的升力,四轴就会沿几何中心向前倾转,桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动。

当四轴要转向左转向时,1,3号电机转速上升,2,4号电机转速下降,使向左的反扭距不不大于向右的反扭矩,四轴在反扭距的作用下向左旋转.右转同理。我们预期能通过改装和程序控制，使得四轴飞机的四个螺旋桨方向都能成为机首，以实现六通道甚至直接斜上斜下的飞行功效，达成尽量精确快速勘察状况的目的。同时，考虑到载重的限制，我们首先会选择大小适合的机型，使得其载重能够达成规定，例如能承载达成功率规定的无线传输设备、微型摄像头以及GPS导航装置。另外为了使航模能飞行并且较为平稳，我们会选择轻质的设备，尽量减小其载重。【无线传输可行性】航模遥控有专用频率，能够满足距离规定，但航模遥控频段无法满足视频传输的需要，那些网上卖的大功率2.4G模拟信道都是非法的，对WIFI、蓝牙、Zigbee和其它2.4G信道而言都是强大的干扰源。同时，传输实时视频信号需要足够的带宽，3KM以上的高带宽无线传输需要足够的发射功率，500mW是不够的，并且这样的信道严重违法，即使采用数字技术也要申请使用执照，而这类执照个人或私营公司去申请的话必定不会获批。通过网上理解，运用3G信道确实是唯一正当且可行的解决之道，但是由于3G技术尚未完全成熟，应用也基我局限于手机，因此难以实现。我们又理解到：780M无线模块基于ATMEL公司AT86RF212射频芯片设计（另外还支持868MHz/915MHz频段），含有低功耗、高敏捷度和穿透力强等特点，在相似发射功率状况下，含有比其它ISM频段的无线收发器更强的穿透力、更远的通信距离以及更加好的通信质量。780MHz无线通讯最大的优点是“干净”，避免了2.4G、433M频段内民用无线设备的干扰，将会是物联网行业的中流砥柱之一。780MHz无线传感网模块能够衍生出有源RFID（即ActiveRFID）、无线传感网节点、路由和网关，还能够和其它网络模块配合进行网络融合、跨网络使用。以不带任何放大状况下，模块特性以下：1、真正实现传输500米无误码，空旷条件下可达1.5km以上；2、支持IEEE802.15.4/ZIGBEE合同；3、工作频段780M/868M/915M；4、780MHz频段发射功率最大5dbm，915MHz频段发射功率最大10dbm；5、使用STM32系列MCU的状况下，每30秒发送一次数据，一节2700mAh的电池，可维持4年以上工作时间；同时，比较几个不同的传输，我们看到，现在困扰物联网行业的一种致命问题就是同频段干扰太多。2.4G是全球通用的，902～928MHz是北美的，863～870MHz是欧洲的，779～787MHz是中国新开的，470-517MHz是国家电网计量频段，无需申请的。因此2.4G和433MHz使用的及较多，相对应的，干扰也就多。我们会尽量采用正当的方式进行视频传输。也考虑过通过无线网络连接采集设备和接受设备，那么就需要本地分布了无线网络。这一点在高速公路上比较容易实现。但是对于灾区的勘察，可能非法的信号更为实用。毕竟本地的信号已经阻断，想要快速理解状况，除了使用自备的传输设备别无他法。附录1、3种不同频段比较2、780M无线模块大小仅有一元硬币左右，符合质量小，体积小的规定，满足飞行器的载重能力。3、780M无线模块技术规格4、附四轴飞行器名词解释通道：通道就是能够遥控器控制的动作路数，例如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转。因此四轴飞行器最低得4通道遥控器。要实现航拍功效则就需要更多通道的遥控器。飞控：四轴飞行器相对于常规航模来说，最最复杂的就是电子部分了。之因此能飞行得很稳定，全靠电子控制部分对四轴飞行状态进行快速调节

。在常规固定翼飞机上，陀螺仪并非惯用器件，在相对操控难度大点的直机上，如果不做自动稳定系统，也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器与其不同的地方是必须配备陀螺仪，这是最基本规定，否则无法飞行，更谈不上飞稳了。不仅要有，还得是3轴向(X、Y、Z)都得有，这是四轴飞行器的机械构造、动力构成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感器，这6个自由度，就构成了飞行姿态稳定的基本部分，也是核心核心部分---惯性导航模块，简称IMU。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了，可见它是整架模型的核心部件。电调：电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转速。四轴飞行器四个桨转动时的离心力是分散的。不象直机的桨，只有一种能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身不容易很快的侧翻掉。因此普通用到的舵机控制信号更新频率很低。四轴为了能够快速反映，以应对姿态变化引发的飘移，需要高反映速度的电调，常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右，满足不了这种控制所需要的速度，且PPM电调MCU内置PID稳速控制，能对常规航模提供顺滑的转速变化特性，用在四轴上就不适宜了，四轴需要的是快速反映的电机转速变化。用高速专用电调，IIC总线接口传送控制信号，可达成每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时，姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力忽然冲击，仍旧安然无恙。无刷电机：电机分为有刷电机和无刷电机，无刷是四轴的主流。它力气大，耐用。正反桨：四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不同的，因