DIY四軸飛行器概述

近年來,四軸飛行器越來越多地融入了人們的生活,不論是航模表演,還是偵查救災,乃至高校的科技競賽,都能看到它們輕盈的身影。

1、那麽,這種新奇的飛行器是不是一夜之間冒出來的新品種呢?

2、比起傳統的單軸直升機,它們有哪些優勢?

3、這些優勢的產生,源於怎麽樣的控製原理和控製係統?

4、與單片機、自動控製、傳感器學科又有哪些聯係呢?

本章的目的就在於比較詳細地梳理這些知識點,並從具體的單片機編程出發,詳細闡述四軸飛行器的製作,爭取能給航模和電子愛好者一些參考。本章主要闡述四軸飛行器的曆史、現狀、力學分析等基礎內容,為後麵的學習打下基礎。

四軸飛行器的曆史

四軸飛行器概念的提出是非常早的。早在20世紀初,法國的科學家與學者Charles Richet製造了一個非常小的、沒有駕駛員的旋翼式直升機,但沒有試飛成功。不過這一靈感被他的學生Louis Breguet繼承和發展了。1907年,Louis Breguet和他的兄弟Jacque製造了他們的第一架旋翼機Breguet-Richet“旋翼機1號”並進行了第一次試飛,但試飛中沒有對飛行器進行控製,因而隻上升到了1.5 m的高度。“旋翼機1號”主體是用鋼管焊接而成的“十”字形結構,

1921年,George De Bothezat在美國俄亥俄州的代頓空軍基地建造了另一個大型的四軸飛行器,比起之前的有了不小的進步,但進行了100多次試飛之後仍然沒有達到美國空軍的要求。同時,標致(Peugeot)公司的年輕工程師Etienne Oemichen自1920年起也在不斷地研究旋翼機,並先後更換了多種設計。

1924年,他設計的四軸飛行器首次實現了1 km的垂直飛行並最多在空中停留了14分鍾。

1956年,Convertawings公司在紐約的Amityville製造了一架四旋翼直升機,該直升機的螺旋槳直徑超過了5.79m,並通過機翼產生向前飛行的升力。在設計中用到了兩台發動機,通過改變每個螺旋槳提供的推力來控製直升機。

這種通過改變各個旋翼的轉速來控製前進後退等運動的思路與現在的四軸飛行器的控製思路類似,而實際的試飛也比較成功,先後還設計了Convertawings Model A/modelB等型號。但遺憾的是由於缺乏對這種直升機的興趣。最終導致了工程設計人員研究的停止。

此後,由於傳感器、微控製器等的發展還不是特別成熟,四軸飛行器的姿態檢測和控製等受到局限,因此四軸飛行器沒有特別大的進步,也沒有進入實用階段。

四軸飛行器的現狀、應用及微型化

最近十幾年來,四軸飛行器的“大腦”一一微控製器取得了極大的發展和進步;另一方麵,四軸飛行器的“感覺器官”一一陀螺/加速度計/磁力計等也做得更加準確,且都向微機電(MEMS)方向發展,更加的小型化和穩定;更重要的是,四軸姿態檢測與計算的理論研究也取得較大的進步,很多簡潔易用,適合計算機的姿態計算程序也被開發出來。加上四軸飛行器確實機械結構簡單,易於維護,而且飛行穩定性較好,所以人們研究四軸飛行器的熱情又再一次被點燃了。

國外比較著名的研究例子有:

1、賓夕法尼亞大學的基於視覺反饋的直升機控製係統(始於2002年)。這一團隊的作品也多次出現在TED演講、優酷視頻等處,自主懸停時使用基於模型的線性反饋控製,而在穿越障礙、自主飛行時與視覺反饋控製相結合,其研究重點已經向多機協作和自主飛行傾斜。

2、瑞士洛桑聯邦理工學院於2003年開始研發的OS4微型四軸飛行器。他們試驗了各種不同的控製算法,對於最優控製理論、飛行器自主飛行和避障等做了比較深入的研究。

3、斯坦福大學的Mesicopter飛行器研究組、麻省理工大學的Robust Robtics研究組等也都對於四軸飛行器的建模、飛行、視覺控製、周圍環境監測等領域做了很多研究工作。

4、國內研究方麵,國防科技大學在2004年即開始了對微型四軸飛行器的研究,並做了一係列的建模和實踐;哈爾濱工業大學、南京航空航天大學、西北工業大學等高校也相繼做了較多的實驗和探索。

由上麵敘述可以知道,四軸飛行器的研究核心和基礎在於飛行控製,也就是“飛控”部分。

在商業應用及DIY方麵,最早公布自己的比較完善的飛控代碼,並引來眾多愛好者研究和製作的四軸飛控,當屬德國的MK飛控。MK的代碼在2007—2009年前後就已經相當完善,能非常穩定地飛行,也有完善的電腦端調試係統及航拍、GPS尋路等功能。

四軸的DIY活動大致從這時候開始變得更有深度,國內愛好者們以AM0BBS和5iMX論壇為基地,做出了很多關於四軸代碼、電路等的研究和改進工作。

同時,這一時間段,國內的大疆(DJI)、Xaicraft等公司的無人機整體方案也發展得較快,四軸商業航拍開始逐漸興起,各種場景的應用較大地提升了四軸飛行器的知名度。

2010年,法國人Alex在模型網站Regroups發布了他的Multiwii飛控程序,徹底地將四軸飛行器的製作拉到了“平易近人”的水平。Multiwii使用數字傳感器,通過IIC數據總線傳輸數據,因此比之前的模擬傳感器飛控更加方便且小型化;而其使用的控製器也是非常大眾化的arduino。雖然Multiwii程序寫的並非特別易讀,但在硬件DIY方麵,直到今天也是最簡單、皮實的飛控之一。

此後,四軸飛行器的製作成本進一步降低,四軸的DIY在買配件組裝,以及四軸飛控硬件製作方麵變得比較容易。

不過,四軸飛行器最核心的知識還在於飛行控製算法的設計和程序的編寫,因此今天能比較方便地DIY四軸飛行器,要特別向開源的MK飛控、MWC飛控、KK_C固件、Anotech飛控、madwick四元數代碼的作者,以及很多寫了大量非常好的四軸程序分析的人們表達敬意。

目前,在高校競賽方麵,四軸飛行器已經不斷出現在各種賽事中,從各類創新杯到電子設計競賽,都可以看到四軸飛行器的身影,有的是作為其他功能的載體,有的是直接作為題目要求。

在具體的應用場景上,四軸飛行器的航拍目前己經比較成熟,各種提供航拍服務的公司層出不窮,“爸爸去哪”裏麵的大疆飛行器就是典型;由於四軸飛行器的飛行比較穩定靈活,各種救災、偵查也都有應用四軸飛行器的趨勢;總之,四軸飛行器近幾年取得了蓬勃的發展,而由四軸衍生出來的六軸、八軸、十二軸飛行器等,也都在陸續出現,四軸飛行器研究可說是一個充滿活力、多個學科融合的領域。

上麵的論述,大多是針對較大的四軸飛行器(軸距250 mm以上)而言的,目前航拍等主力也是這類四軸飛行器。但是,較大的四軸飛行器也有一些難以克服的缺點。

例如:耗電較大;

1、旋翼力量很大,調試中容易發生危險;

2、太大,不易細致地觀察與調試控製效果;

3、航拍中容易被發現,不利於隱蔽;

4、對飛行場地麵積要求較高;

5、製作成本較高;

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