基于多旋翼无人机的空中移动载物平台
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作者:于尊港 张冉
摘 要：近年来，随着微机电系统技术及自动控制技术的成熟，多旋翼无人机发展迅速，在军用及民用领域展现出了巨大的应用潜力。该文提出了一种基于四旋翼无人机的空中移动载物系统，利用多旋翼无人机、计算机和多个模块的相互协作，实现了一机多用的目的，能够大幅度提高多旋翼无人机的利用率。
关键词：多旋翼无人机 无人机控制 一机多用 无人机通讯 挂载系统
多旋翼无人机由于具有垂直起降、自由悬停、结构简单、控制灵活等优点，多旋翼无人机理论自20世纪10年代被提出以后便引起了人们极大的兴趣。近年来，随着微机电系统技术及自动控制技术的成熟，多旋翼无人机发展迅速，在军用及民用领域展现出了巨大的应用潜力[1]。
目前多旋翼无人机的应用面非常广，但是它的利用率并不高。比如，植保无人机无法在婚礼现场进行高清航拍，只因植保机挂载的是喷雾系统，而不是高清摄像机。这种现象严重影响了无人机的利用率。能否设计一个新的无人机载物机构，能够让多旋翼无人机在复杂的场景中灵活切换运用，实现一机多用的目的，提高无人机的模块化和自动化水平，从而提高多旋翼无人机的使用率以及使用场景。多旋翼无人机可以应用在抗震救灾中。以往可能需要多台无人机配合来完成抗震救灾任务，但是使用新的无人机挂载系统后使用单个无人机就可以更换相机、热感应、声纳、激光扫描仪等挂载模块进行不同的工作;夜间可以挂载灯光实现临时照明。我们会以此类问题为中心进行详细探索，以理论与技术相结合的手段，尝试制作模型，以验证它的应用。
1 背景
随着资源的紧缺，多功能用途的产品越来越多，人们对于多功能用途的产品也越来越感兴趣，但是多功能用途的产品存在着成本高、使用率低、设计不合理等问题。
在现今这个高新技术盛行的时代，无人机技术已经非常成熟，各种技术、设计层出不穷，比如数字建模技术、3D打印技术等。多旋翼无人机的悬停性能、续航时间、载荷、控制距离都比原来有了很大的提升，多旋翼无人机已相当成熟，可以完成某些特定的复杂任务。
3D打印技术的普及、无线通信技术的发展就是一个机会，我们可以根据需要，定制挂载模块，并内置一个控制模块以实现对于挂载设备的统一管理。
2 控制系统架构
多旋翼无人机采用PIXHawk作为飞行控制器，该控制器拥有168MHz的运算频率，并突破性地采用了整合硬件浮点运算核心的Cortex-M4的单片机作为主控芯片，内置两套陀螺和加速度计MEMS传感器，互为补充矫正，内置三轴磁场传感器并可以外接一个三轴磁场传感器，同时可外接一主一备两个GPS传感器，在故障时自动切换[2]。从而具备高精度定位、导航和自主飞行的能力。
挂载系统采用Arduino单片机作为控制核心，Arduino是灵活性高、容易开发、稳定性强的电子开发原型平台，Arduino可以获取各类传感器的电信号，并可以输出电信号控制装置来实现指定功能[3]。
多旋翼无人机飞行控制系统与挂载系统控制核心相互独立，以提高无人机飞行、挂载系统工作的稳定性;利用地面站、遥控器与飞行控制器、挂载系统控制核心进行连接，从而实现对无人机飞行、挂载系统动作的控制。
3 通信系统架构
采用基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议的ZigBee通信技术，将飞行控制器、Arduino控制器采集的数据传输到地面站，地面站的控制指令也可通过通信系统上传至Arduino控制器，实现双向通信。
Arduino控制器与挂载模块之间采用触点接触的通信方式，将各种信号、指令传输至挂载模块，挂载模块通过触点接触将各类传感器采集的信号传输至Arduino控制器。
若多旋翼无人机执行任务所需飞行距离超出控制距离，可通过地面站向无人机飞行控制器和挂载系统控制核心发送所需的任务数据，自动执行任务，提高了多旋翼無人机的灵活度。
4 挂载系统架构
通过多旋翼无人机的载物能力，将一种或多种挂载模块带入空中，多种挂载模块同时空可以相互配合完成较为复杂的任务，挂载模块可以根据需求进行设计，并根据所需执行任务随时更换挂载模块;预留多功能接口，可扩展被挂载模块。
（1）空中喊话系统：独立的信号放大电路，将控制核心输出的模拟信号进行放大，通过定向喇叭进行喊话;在大范围通知下达等领域充分利用。
（2）空中投影系统：远程播放的投影系统，根据多旋翼无人机的飞行特点设计稳定器、自动焦距调节程序;在宣传片的放映等领域充分利用。
（3）空中照明系统：通过控制核心控制的继电器，集成高亮度LED、外挂电源进行供电以尽可能地减少多旋翼无人机飞行稳定性的影响，并可在俯仰轴进行转动，可执行紧急照明任务。
（4）空中信号中继系统：携带自组网平台、集群微型基站、微型基站等多种通信设备的中继系统模块，通过多旋翼无人机搭建应急通信中继系统，减少某一区域因通信系统故障导致的影响。
（5）空中投放系统：一款动作机构，通过地面站进行控制;利用无人机的载物能力，实现空中投放任务。
5 结语
挂载模块标准的不同导致多旋翼无人机的工作效率低下，针对此问题我们可以设计功能不同但标准统一的挂载模块，利用数字建模和3D打印技术对挂载模块进行设计、制作，从而根据需求快速制作挂载模块，快速进行使用;采用软硬件相互配合，降低了系统硬件的复杂程度，提高了系统的整体稳定性。
以多旋翼无人机作为载体，通过自主设计的多功能挂载模块实现空中投影、空中照明、航拍、空中喊话、通信中继、空中投物等功能;可用于舞台效果的制作、广告宣传、交通疏导、应急通信等场景，从而实现一机多用。
参考文献
[1] 魏丽娜，宁会峰，陆旺，等.多旋翼飞行器的关键技术及应用前景[J].自动化技术与应用，2016，35（9）：1-4.
[2] 李大伟，杨炯.开源飞控知多少[J].机器人产业，2015（3）：83-93.
[3] 王臻，李建军，康辉，等.基于Arduino的电驱精密播种控制系统[J].中国科技信息，2019（18）：82-83.
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