关键字 |
| quadrotor;气垫船;无人驾驶飞机的车辆;UVA;PID控制;沿海的观察 |
介绍 |
| 最近,沿海地区已经受到气候变化由于全球变暖,自然灾害如暴风雨、海啸和岸边的由海洋石油泄漏事故。因此有必要研究灾害损害赔偿并使措施,防止事故再次发生。但有一个普遍覆盖的观察各种各样的局限性。大多数观测实现自然灾害的预防和管理措施是通过固定设备限制从灾难现场的实时交互。收集各种信息在受影响的地区,应该提供实时移动的图片的灾难主要中心网站。出于这个原因,无人驾驶飞机车辆基于multi-rotor最近研究[1][2][3]。 |
| 气垫船,也被称为一个气垫车辆或无环鸟苷,是工艺能够运行在几乎每一个表面,如地面、水面、泥、砂、粗燕麦粉、杂草等。气垫船用鼓风机生产大量的空气的船体下略高于大气压力。高压空气之间的压差低于上述船体和较低的压力环境空气产生升力,导致船体浮运行表面之上。稳定的原因,周围的空气通常吹通过槽或孔的外部磁盘或椭圆形状的平台,给大多数气垫船圆角矩形的形状特征。通常该缓冲是包含在一个灵活的“口袋”,它允许车辆旅行在小障碍物无破损[4][5]。气垫船有大优势提供一个有效的运输系统为高速服务水和土地,导致对军用车辆的广泛发展,搜索和救援,商业运作。 |
| 在这项研究中,我们设计了一个无人quadrotor气垫船具有两个优势的气垫船在水和土地和quadrotor拥有稳定的悬停和运动控制和精确降落在目标区域[6]。因为设计quadrotor气垫船可以操作在空气或看到的,它可以有效地观察和管理fishfarm和泥浆平在沿海地区低成本和短期。在本文中,我们使用经典的PID控制以稳定电机工艺。我们进行了垂直和水平飞行测试执行运动和旋转控制quadrotor气垫船。我们也分析了轧辊的特点,音高,偏航从四个传感器获得的数据扰动影响的悬停飞行和x - y位置数据的特征和高度数据获得GPS在盘旋飞行。 |
设计QUADROTOR气垫船 |
| 本研究的目的是开发无人机用于沿海观察,水和土地上的操作,垂直起落(垂直起降)、徘徊、自主导航。quadrotor气垫船的整体结构设计在这个研究是图1所示。quadrotor气垫船是由四个转子附加到“+”形机身的终点。每个转子的轴连接需要机械硬度,因为电机直接连接。飞机框架轴和转子必须对称和平衡。每个转子必须有一个固定螺距角,产生升力,降低空气向下。此外,力来控制每个转子的转速和转矩能够实现6自由度运动[7]。 |
| 气垫船位于quadrotor飞机下面有高速无刷直流电机(边缘发火的.25 GPMG4675)和盘旋扇入船体的中心连续浮在表面。驱动电动机由导管锅和伺服电动机安装在中间的船体为推进和改变方向的船体。盘旋的风扇安装在无刷电机推动空气到船体的底部高旋转,空气被发送到空气的口袋里。然后是气垫船能举起,飞离地面和水的反作用力。在这种状态下,气垫船可以向前推进的操作单旋翼带尾桨和可以改变移动方向控制伺服电动机的角度[8]。沿海的观察,一个摄像头实时重新编码是安装在顶部的quadrotor如图1所示。 |
| 图2显示了装配式quadrotor气垫船的原型车。原型车的规格是表1所示。quadrotor飞机的重量是1.2吗?和气垫船的重量是1.4吗?和车辆的总重量是2.6 ?。quadrotor气垫船是捏造的用铝棒材料修复转子和整个身体的重量就是这样设计的,它不会超过3 ?增加车辆的机动性和减少电池消耗。它们是由高容量、放电锂聚合物电池和气垫船的主体设计矩形形状和大小是0.4米×0.4米。飞机胶合板和压缩泡沫塑料作为身体的材料硬度和轻量级的气垫船。气垫船下面空气口袋的大小是0.6米×0.6米。 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 |
| 这辆车是由控制信号从R / C发射机发送。图3显示了飞行控制系统的框图quadrotor气垫船。为了获得稳定转子,数据从传感器和控制器是必需的。作为控制器的车辆,ATmega2560 APM2.0委员会。 |
| APM2.0板配有三轴陀螺传感器、一个三轴加速计传感器、三轴地磁传感器、气压传感器和GPS。quadrotor之间的模式选择器选择飞行模式和气垫船飞行模式连接到董事会。控制器接收数据从传感器到I2C通信的态度。数据处理后,生成一个PWM信号和控制转子的旋转速度来管理车辆的运动。和无线通讯模块(Parani-ESD200)是用于传输实时传感器数据的电脑。作为推进和高功率效率的转子quadrotor车辆,一个无刷直流电机(FlyCam925),几乎不需要维护,使用。恒速控制的转子速度,20 SBEC FlyCam是作为一个电子速度控制(ESC)。传感器模块包括六轴gyroaccelerometer(微处理器- 6000)相结合的硬件陀螺仪角速度测量和使用硬件加速计测量每个轴的加速度值,并使用硬件地磁传感器(hmc - 5883 l)探测方向和气压计(多边环境MS5611)来测量高度。和测量的实时图像从无线摄像头被送到PC通过单片机(ATmega2560)。 |
| quadrotor气垫船的飞行控制信号直接通过R / C发射机。模式选择器被选为QR模式时,车辆由quadrotor航班运营的控制四个转子和模式选择器被选为HC模式时,车辆由气垫船航班运营的控制一个盘旋风扇和一个单旋翼带尾桨和伺服电动机。图4显示了方向测试单旋翼带尾桨的伺服电动机的控制。单旋翼带尾桨的方向能够控制的范围从-90°到+ 90°。 |
飞行实验 |
| 飞行试验的车辆进行相对宽敞的房间里没有障碍。图5显示了飞行气垫船的结果。首先,在HC模式选择控制系统(图5)。地板上面的车辆能够提升操作盘旋风扇,然后车辆移动直接通过操作单旋翼带尾桨(图5)。当单旋翼带尾桨的方向改为+ 45°方向通过控制伺服电动机,车辆将权利和推进(图5 ? ?)。方向变化,当单旋翼带尾桨改为- 45°方向,车辆左转,向前移动(图5 ?,?,?,?)。最后,当原始的单旋翼带尾桨改变方向(0°),车辆旋转和移动的直线如图5所示?∼吗? |
| 图6显示了二维飞行路径跟踪的气垫船。设计气垫船操作一样的飞行性能的典型的气垫船。盘旋风扇操作时,上面的气垫船了地上然后推进单旋翼带尾桨时操作。也随着伺服电动机转单旋翼带尾桨的方向,气垫船可以改变预期的飞行路径。 |
| 图7显示了quadrotor车辆的垂直飞行试验。如果一个飞行员首先选择QR模式在R / C发射机,四旋翼的角落quadrotor帧操作。然后车辆航班而改变高度。图7 ?意味着控制器设置飞行前和图7 ?是四旋翼操作时开始飞行。图7 ?是浮动车0.2米高的地板上。图7 ?0.4米高和图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. |
| 检查车辆的飞行稳定,徘徊在测试车辆是在户外进行的。图8显示了卷,俯仰和偏航数据而徘徊在1米的高度。车辆稳定了60秒后,我们分析了获得的数据的六轴gyro-accelerometer 30秒。如图8所示(一个)、六轴的角度数据gyro-accelerometer改变根据车辆的运动变化而徘徊。卷数据改变了约0.9°,球场数据改变了大约0.2°。在机舱内,我们可以看到横滚和俯仰的突变数据。原因是飞行员关闭操作车辆。图8 (b)显示了偏航的变化数据。偏航数据变化最大的40°30秒。它是由车辆的平衡身体不太好。 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显示了从GPS位置数据的悬停试验车辆。当车辆在徘徊在1米高度,车辆是稳定60秒钟。之后,我们分析了GPS所得到的数据进行30秒。图9(一个)显示x轴和y轴数据根据车辆的位置变化而徘徊。车辆的运动是2 m轴和3 m轴。如图9所示(b),车辆的高度变化约为0.25米。因为测试是在户外进行的,车辆受到风的影响,从而改变发生在xy平面上的位置。我们分析了车辆的运动和位置特征,有必要使用3 d打印技术制造汽车的身体身体的精确平衡。如果我们研究各种算法消除飞行的干扰,最优飞行特性能够得到[9][10]。 |
结论和未来的工作 |
| 在本文中,我们设计和制造quadrotor气垫船能操作在水和土地和空气中。因为该车辆具有两个优点quadrotor无人机和气垫船,它可以有效地观察和管理fishfarm和泥浆平在沿海地区低成本和短期。后获得的车辆信息四个通过I2C通信和GPS传感器,控制器产生PWM信号对运动控制和车辆的运动控制是通过控制电机的旋转速度。选择器应用于选择飞行操作模式quadrotor飞行和气垫船之间飞行。我们确认操作特性稳定的垂直飞行测试的结果quadrotor气垫船和水平飞行测试。无人机应用的可能性也是承认的实验分析xy平面的位置变化和高度变化。通过进一步的研究,如果车辆的具体生产的身体和各种算法消除飞行的干扰进行了研究和改进,提出了车辆能够申请沿海观察在水和地面和空气中。 |
表乍一看 |
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| 表1 |
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数据乍一看 |
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引用 |
- 李,C . C。,Zhang, G. S., Lei, T. J. and Gong, A. D., "Quick Image-Processing Method of UAV without Control Points Data in Earthquake Disaster Area", Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol. 21, pp. 523-528, 2011.
- 海涛,x和Lei, T。,"Development of a Low-Cost Agricultural Remote Sensing System based on an Autonomous Unmanned Aerial Vehicle(UAV)", Biosystems Engineering, Vol. 108, pp. 174-190, 2011.
- 杨,y Q。,Liu, F. Q., Wang, P., Luo, P. T. and Liu, X. F., "Vehicle Detection Methods from an Unmanned Aerial Vehicle Platform", Proceedings of Int. Conf. Vehicular Electronics and Safety, pp. 411-415, 2012.
- Syozo, K。,Hiromichi, A. and Takumi, M., "First-Aid Transportation by Hovercraft in a Disaster", Natural Hazards, Vol. 29, pp. 553-564, 2003.
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- 萨米尔,b D。,"Design and Control of Quadrotors with Application to Autonomous Flying", Phd Thesis, Autonomous Systems Laboratory, Swiss Federal Institute of Technology, 2007.
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