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:

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。

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。

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。

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;

旋翼力量很大,調試中容易發生危險;

太大,不易細致地觀察與調試控製效果;

航拍中容易被發現,不利於隱蔽;

對飛行場地麵積要求較高;

製作成本較高。

       由於四軸飛行器容易製作、飛行靈活,人們更希望其能夠實現小型化及微型化,從而能進入更多的空間進行數據采集,也能夠更好地節約能源,便於攜帶。因此,小型/微型四軸飛行器的研製,成為了四軸飛行器發展的趨勢之一。實際上,小型/微型四軸飛行器的主體結構和大型四軸飛行器是一樣的。一般軸距為150?250 mm於四軸飛行器還能勉強使用無刷電機,與一般的大四軸飛行器沒有太大區別;而當四軸飛行器的軸距小於150 mm時,則進入了微型四軸飛行器的範疇,與較大的四軸飛行器有了一些差別。主要差別在於,微型四軸飛行器的體積很小,因此大多采用了空心杯電機,升力一般比較有限;而又由於體積小型化的需要,因此很多時候直接將控製板的PCB作為機架使用,因此,微型四軸飛行器的傳感器容易受到機身振蕩及電流的幹擾;而體積小、升力不是很強也使得其控製規律相對大四軸飛行器更難以整定一些。

       另外,既輕又小的外形使得微型四軸飛行器慣性較小,因此運動狀態極易改變,這使得對微型四軸飛行器的控製需要更高的控製頻率。但是,也正因為有以上的這些特性,微型四軸飛行器也有很多的優勢。例如,其製作成本比較低,調試相對容易簡單,也更容易搭建係統的測試平台;而製作完成之後,執行任務的地點也更加多樣化,而且因為比較小,所以容易和智能手機等連接,因此,研究微型四軸飛行器也成為當前的一個熱點。

       在學術上,世界上對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在3個方麵:基於慣導的自主飛行控製、基於視覺的自主飛行控製和自主飛行器係統方案,其典型代表分別是瑞士洛桑聯邦科技學院(EPFL)的0S4、賓夕法尼亞大學的HMX4和佐治亞理工大學的GTMAS飛行器。

       前麵兩者已經有過敘述了,不再贅述。GTMARS是佐治亞理工大學麵向火星探測任務而設計的CAD無人機係統,它重20kg,旋翼半徑為0.92 m,續航時間為30 min。折疊封裝的GTMARS隨四麵體著陸器登陸火星後,能自動將機構展開,能自主起飛和降落,巡航速度可達72 km/h;另外,它還能返回到著陸器補充能量(著陸器裝載有太陽能電池)。

       HM4、GTMARS、Mesicopter。國內研究方麵,國防科技大學在2004年進行了比較深入的從建模到實踐的研究。從DIY的角度來看,最先出現的微型四軸飛行器DIY方案是MWC,較早的時候就有了“bmshedmotor”版本,也就是有刷空心杯電機的程序,並維持了MWC容易製作、皮實易用的特點。

       而bitcraze團隊在2011年前後推出的Cmzyflie,則進一步發展了微型四軸飛行器,例如,使用了基於ARM-C〇retexM3的STM32處理器;集成了無線通信模塊;包含了無線更新飛行程序功能;可無線充電;開發了像捕捉處理程序;飛行非常穩定;並且,其代碼和硬件也是開源的。

       此後,微型四軸飛行器與智能手機連接,與WiFi聯網、Zigbee協作等各種應用都不斷地被開發出來,微型四軸飛行器的DIY也取得了很大的進步。至此,四軸飛行器的現狀的小說明就告一段落了。由於四軸飛行器自身結合了力學、機械、單片機/嵌入式,以及自動控製等各種知識,因而對於高校的教學或者示範有著較好的價值;又由於四軸飛行器的較好的飛行性能,所以也比較容易搭載其他的各種外設,並且在係統運行的時候具有較強的表現力,也有著龐大的愛好者群體。

       當前雖然有較多的四軸飛行器資料,但是大多比較零散;且較多的停留在硬件組合階段,沒有深入分析四軸飛行器的代碼和控製。自主編程製作的FlaPpy430微型四軸飛行器為藍本,從四軸飛行器的力學原理,到四軸飛行器的控製器、傳感器,以及四軸飛行器的編程等角度,比較深入地分享對於四軸飛行器的一些經驗。

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