关键字 |
| quadrotor;气垫船;无人驾驶飞行器;UVA;PID控制;沿海的观察 |
介绍 |
| 近年来，由于全球变暖导致的气候变化，以及海岸事故导致的风暴、潮汐、溢油等自然灾害，沿海地区受到了破坏。因此，有必要对灾害进行损害赔偿调查，并制定防止事故再次发生的措施。但是，观测的普遍覆盖存在各种限制。大多数实施自然灾害预防和管理措施的观测都是通过固定设备完成的，灾区的实时互动有限。为了收集受灾地区的各种信息，需要从现场向救灾中心提供实时的动态图片。因此，基于多旋翼的无人机最近被研究[1][2][3]。 |
| 气垫船，也被称为气垫车或ACV，是一种能够在几乎所有表面上行驶的船只，如地面、水面、泥浆、沙子、砂砾、杂草等。气垫船使用鼓风机在船体下方产生大量略高于大气压的空气。船体下方的高压空气和船体上方的低压环境空气之间的压差产生升力，使船体漂浮在水面之上。出于稳定的考虑，空气通常被吹过圆盘或椭圆形平台周围的槽或孔，使大多数气垫船具有典型的圆角矩形形状。通常情况下，这个缓冲垫包含在一个灵活的“口袋”中，它允许车辆通过小障碍物而不损坏[4][5]。气垫船有一个很大的优势，它提供了一种有效的运输系统，可以在水上和陆地上进行高速服务，这导致了军用车辆、搜索和救援以及商业行动的广泛发展。 |
| 在本次研究中，我们设计了一种无人四旋翼气垫船，它具有气垫船能够在水面和陆地上移动的优点，四旋翼具有稳定的悬停和运动控制，并在目标区域[6]精确着陆的优点。由于所设计的四旋翼气垫船既可在空中操作，也可在水面上操作，因此可以低成本、短期有效地对沿海渔场和滩涂进行观测和管理。本文采用经典的PID控制来实现电机工艺的稳定。并对四旋翼气垫船进行了垂直和水平飞行试验，对四旋翼气垫船进行运动和旋转控制。分析了4个传感器的滚转、俯仰、偏航数据的特征，了解了悬停飞行中扰动的影响，以及GPS获取的X-Y位置数据和高度数据的特征。 |
四旋翼气垫船设计 |
| 本研究的目的是开发可用于海岸观测的无人飞机，能够在水和陆地上操作，垂直起降(垂直起降)，悬停，自主导航。本文设计的四旋翼气垫船整体结构如图1所示。四旋翼气垫船由四个旋翼组成，它们连接在“+”形机身的末端。每个转子所连接的轴需要有机械硬度，因为电机是直接连接的。飞机框架的轴和转子必须对称和平衡。每个转子必须有一个固定的俯仰角，通过向下推动空气来产生升力。此外，力控制每个转子的转速和扭矩能够实现6-DOF运动[7]。 |
| 气垫船位于四旋翼飞机下方具有高速无刷直流电动机(Rimfire .25, GPMG4675)和在机身中心用于漂浮在运行表面之上的悬停风扇。驱动电机由导管盘组成，伺服电机安装在船体后部中部，用于推进和改变船体方向。安装在无刷电机上的悬停风机通过高旋转将空气向下推至车体底部，将空气送入气袋。这样气垫船就可以在反作用力的作用下在地面和水面上上升和飞行。在此状态下，气垫船可通过推进风道风机进行前进，并通过控制伺服电机[8]的角度来改变运动方向。对于沿海观测，在四旋翼飞行器的顶部安装了一个实时重新编码的摄像头，如图1所示。 |
| 图2显示了所制造的四旋翼气垫飞行器的原型。原型车的规格如表1所示。四旋翼飞机的重量为1.2 ?气垫船的重量是1.4 ?车辆总重量为2.6 ?四旋翼气垫船采用铝棒作为固定转子的材料，并设计了机身整体重量不超过3 ?提高车辆的机动性，最大限度地减少电池消耗。它们由高容量、高放电的锂聚合物电池供电，气垫船的主体设计为矩形，尺寸为0.4m×0.4m。气垫船的主体材料采用了航空胶合板和压缩泡沫聚苯乙烯，以达到硬度和重量的目的。气垫船下方的气囊大小为0.6m×0.6m。 The total height of the vehicle was 0.45m when the pocket remains inflated throughout operation due to continued supply of air through hovering fan delivering a constant mass flow rate. Thus, the hovering height by which the vehicle is lifted up is affected by the inflation of the air pocket. |
控制系统配置 |
| 车辆由R/C发射机发出的控制信号操作。四旋翼气垫船飞行控制系统框图如图3所示。为了从传感器获取数据并稳定转子，需要一个控制器。车载控制器采用ATmega2560和APM2.0板。 |
| APM2.0板上安装有三轴陀螺传感器、三轴加速度传感器、三轴地磁传感器、气压传感器和GPS。用于四旋翼飞行模式和气垫船飞行模式选择的模式选择器连接到板上。控制器通过I2C通信接收来自传感器的姿态数据。经数据处理后，产生PWM信号，控制转子转速，管理车辆运动。并采用无线通信模块(Parani-ESD200)将实时传感器数据传输到PC机。采用几乎不需要维护的无刷直流电动机(FlyCam925)作为四旋翼车辆的推进转子和高功率效率转子。转子恒速速度控制采用FlyCam的SBEC 20A作为电子转速控制(ESC)。传感器模块包括一个6轴陀螺仪(MPU-6000)，它结合了一个测量角速度的3轴陀螺仪和一个测量各轴加速度值的3轴加速度计，3轴地磁传感器(HMC-5883L)检测方向，气压计(MEAS MS5611)测量高度。无线摄像机采集的实时图像通过单片机(ATmega2560)传输到上位机。 |
| 四旋翼气垫飞行器的飞行控制信号由R/C发射机直接传送。当模式选择器选择为QR模式时，飞行器通过控制4个旋翼进行四旋翼飞行;当模式选择器选择为HC模式时，飞行器通过控制1个悬停风扇和1个导管风扇和伺服电机进行气垫飞行。图4为伺服电机控制下的导管风机方向测试。导管风机的方向可控制在-90°至+90°范围内。 |
飞行实验 |
| 飞行器的飞行实验是在相对宽敞、无障碍物的室内进行的。气垫船的飞行结果如图5所示。首先选择HC模式的控制系统(图5?)。通过操作悬停风机，飞行器能够升到地面以上，然后通过操作导管风机，飞行器能够直线前进(图5?)。当控制伺服电机将导管风机方向改变为+45°方向时，车辆右转向前行驶(图5?，?)换向时，当导管风机转向- 45°方向时，车辆左转向前行驶(图5?，?，?，?)最后，当导管风机在原方向(0°)发生改变时，车辆向右旋转并沿直线运动，如图5?∼? |
| 气垫船的二维飞行轨迹跟踪如图6所示。所设计的气垫船的操作与典型气垫船的飞行特性相同。当悬停风机运行时，气垫船升到地面以上，当导管风机运行时，气垫船向前移动。同时，当伺服马达改变管道风扇的方向时，气垫船可以改变预期的飞行路线。 |
| 四旋翼飞行器垂直飞行实验如图7所示。如果飞行员在R/C发射机中首先选择QR模式，则四旋翼架角上的四个旋翼进行操作。然后飞行器在改变高度的同时飞行。图7 ?为飞行前控制器设置，图7?飞行开始时四个旋翼被操作。图7 ?是漂浮的车辆，距地面可达0.2m高。图7 ?高0.4m，图7? is 0.6m high and Fig. 7? is 0.8m high. We could confirm the vehicle lifted up to 1.4m high because of the limited testing room. |
| 为了检验飞行器的飞行稳定性，飞行器在室外进行了悬停试验。图8为飞行器在1m高度悬停时的滚转、俯仰和偏航数据。在飞行器稳定60秒后，我们分析了从6轴陀螺仪加速度计获得的数据30秒。如图8(a)所示，飞行器悬停时，6轴陀螺仪加速度计的角度数据随着飞行器的运动变化而变化。滚转数据改变了约0.9°，俯仰数据改变了约0.2°。在28秒左右，我们可以看到横摇和俯仰数据的突变。原因是飞行员关闭了飞行器的悬停操作。图8(b)显示了偏航数据的变化。偏航数据在30秒内最大变化为40°。这是由于车身平衡不好造成的。 Although the yaw data has nothing to do with hovering, for stability of the motion control, it is necessary to complement the vehicle. From these results, we knew that the hovering functions of the vehicle were stable. |
| 图9为飞行器悬停试验时GPS定位数据。当飞行器在1米高度悬停时，飞行器稳定了60秒。在此之后，我们分析了从GPS获得的数据30秒。图9(a)为飞行器悬停时位置变化的x轴和y轴数据。飞行器x轴移动2m, y轴移动3m。如图9(b)所示，飞行器高度变化约为0.25m。由于试验在室外进行，车辆受到风的影响，xy平面位置发生变化。由于我们分析了车辆的运动和位置特性，因此有必要使用3D打印技术来制造车身，以实现车身的精确平衡。如果研究各种消除飞行干扰的算法，可以得到最优的飞行特性[9][10]。 |
结论及未来工作 |
| 在本文中，我们设计并制造了能够在水上、陆地和空中操作的四旋翼气垫船。该飞行器兼有四旋翼无人机和气垫船的优点，能够以低成本、短时间对沿海渔场和滩涂进行有效观测和管理。车辆通过I2C通信从四个传感器和GPS获取信息后，控制器产生PWM信号进行运动控制，通过控制电机转速实现对车辆的运动控制。应用该选择器在四旋翼飞行和气垫船飞行之间选择飞行操作模式。四旋翼飞行器的垂直飞行试验和气垫船的水平飞行试验结果证实了该飞行器的运行特性是稳定的。通过对xy平面位置变化和高度变化的实验分析，证实了无人机应用的可能性。通过进一步的研究，如果对飞行器本体的精确制造和各种消除飞行干扰的算法进行研究和改进，所提出的飞行器将能够适用于水上、地面和空中的沿海观测。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- 李春春，张国生，雷铁军，龚爱德，“地震灾区无控制点数据的无人机图像快速处理方法”，中华人民大学学报(自然科学版)。有色。Soc。《中国》2011年第21卷，第523-528页。
- 海涛，X.，雷，T.，“基于自主无人机(UAV)的低成本农业遥感系统的开发”，生物系统工程，Vol. 108, pp. 174-190, 2011。
- 杨永强，刘凤强，王平，罗培涛，刘晓峰，“基于无人机平台的车辆检测方法”，航空学报。《车辆电子与安全》，2012年，pp. 411-415。
- Syozo, K.， Hiromichi, a .和Takumi, M.，“灾难中的气垫船急救运输”，《自然灾害》，第29卷，第553-564页，2003年。
- http://en.wikipedia.org/wiki/Hovercraft
- 萨米尔，B. D.“四旋翼飞行器的设计与控制及其在自主飞行中的应用”，博士论文，瑞士联邦理工学院自主系统实验室，2007。
- Rich, M.，“四旋翼直升机模型开发、系统辨识与控制”，硕士论文，爱荷华州立大学，2012。
- 王春春，李廷英，“基于图像识别技术的自主遥控气垫船设计”，中国航空航天大学学报(自然科学版)。& Mat.Sci。，Vol. 20, pp. 183-190, 2013.
- 赵s.b .， Jang s.a和Choi K. Y.，“循环螺距四旋翼飞机的动态特性和LQR控制分析”，J.韩国航空航天科学学会，Vol. 41, No. 3, pp. 217- 225,2013。
- 林，J. G.， Jung, S.，“基于时滞控制器的四旋翼系统姿态控制的实验研究”，控制研究所，Vol. 20, No. 4, pp. 381-388, 2014。
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