DIY四轴飞行器概述

近年来,四轴飞行器越来越多地融入了人们的生活,不论是航模表演,还是侦查救灾,乃至高校的科技竞赛,都能看到它们轻盈的身影。

1、那么,这种新奇的飞行器是不是一夜之间冒出来的新品种呢?

2、比起传统的单轴直升机,它们有哪些优势?

3、这些优势的产生,源于怎么样的控制原理和控制系统?

4、与单片机、自动控制、传感器学科又有哪些联系呢?

本章的目的就在于比较详细地梳理这些知识点,并从具体的单片机编程出发,详细阐述四轴飞行器的制作,争取能给航模和电子爱好者一些参考。本章主要阐述四轴飞行器的历史、现状、力学分析等基础内容,为后面的学习打下基础。

四轴飞行器的历史

四轴飞行器概念的提出是非常早的。早在20世纪初,法国的科学家与学者Charles Richet制造了一个非常小的、没有驾驶员的旋翼式直升机,但没有试飞成功。不过这一灵感被他的学生Louis Breguet继承和发展了。1907年,Louis Breguet和他的兄弟Jacque制造了他们的第一架旋翼机Breguet-Richet“旋翼机1号”并进行了第一次试飞,但试飞中没有对飞行器进行控制,因而只上升到了1.5 m的高度。“旋翼机1号”主体是用钢管焊接而成的“十”字形结构,

1921年,George De Bothezat在美国俄亥俄州的代顿空军基地建造了另一个大型的四轴飞行器,比起之前的有了不小的进步,但进行了100多次试飞之后仍然没有达到美国空军的要求。同时,标致(Peugeot)公司的年轻工程师Etienne Oemichen自1920年起也在不断地研究旋翼机,并先后更换了多种设计。

1924年,他设计的四轴飞行器首次实现了1 km的垂直飞行并最多在空中停留了14分钟。

1956年,Convertawings公司在纽约的Amityville制造了一架四旋翼直升机,该直升机的螺旋桨直径超过了5.79m,并通过机翼产生向前飞行的升力。在设计中用到了两台发动机,通过改变每个螺旋桨提供的推力来控制直升机。

这种通过改变各个旋翼的转速来控制前进后退等运动的思路与现在的四轴飞行器的控制思路类似,而实际的试飞也比较成功,先后还设计了Convertawings Model A/modelB等型号。但遗憾的是由于缺乏对这种直升机的兴趣。最终导致了工程设计人员研究的停止。

此后,由于传感器、微控制器等的发展还不是特别成熟,四轴飞行器的姿态检测和控制等受到局限,因此四轴飞行器没有特别大的进步,也没有进入实用阶段。

四轴飞行器的现状、应用及微型化

最近十几年来,四轴飞行器的“大脑”一一微控制器取得了极大的发展和进步;另一方面,四轴飞行器的“感觉器官”一一陀螺/加速度计/磁力计等也做得更加准确,且都向微机电(MEMS)方向发展,更加的小型化和稳定;更重要的是,四轴姿态检测与计算的理论研究也取得较大的进步,很多简洁易用,适合计算机的姿态计算程序也被开发出来。加上四轴飞行器确实机械结构简单,易于维护,而且飞行稳定性较好,所以人们研究四轴飞行器的热情又再一次被点燃了。

国外比较著名的研究例子有:

1、宾夕法尼亚大学的基于视觉反馈的直升机控制系统(始于2002年)。这一团队的作品也多次出现在TED演讲、优酷视频等处,自主悬停时使用基于模型的线性反馈控制,而在穿越障碍、自主飞行时与视觉反馈控制相结合,其研究重点已经向多机协作和自主飞行倾斜。

2、瑞士洛桑联邦理工学院于2003年开始研发的OS4微型四轴飞行器。他们试验了各种不同的控制算法,对于最优控制理论、飞行器自主飞行和避障等做了比较深入的研究。

3、斯坦福大学的Mesicopter飞行器研究组、麻省理工大学的Robust Robtics研究组等也都对于四轴飞行器的建模、飞行、视觉控制、周围环境监测等领域做了很多研究工作。

4、国内研究方面,国防科技大学在2004年即开始了对微型四轴飞行器的研究,并做了一系列的建模和实践;哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、西北工业大学等高校也相继做了较多的实验和探索。

由上面叙述可以知道,四轴飞行器的研究核心和基础在于飞行控制,也就是“飞控”部分。

在商业应用及DIY方面,最早公布自己的比较完善的飞控代码,并引来众多爱好者研究和制作的四轴飞控,当属德国的MK飞控。MK的代码在2007—2009年前后就已经相当完善,能非常稳定地飞行,也有完善的电脑端调试系统及航拍、GPS寻路等功能。

四轴的DIY活动大致从这时候开始变得更有深度,国内爱好者们以AM0BBS和5iMX论坛为基地,做出了很多关于四轴代码、电路等的研究和改进工作。

同时,这一时间段,国内的大疆(DJI)、Xaicraft等公司的无人机整体方案也发展得较快,四轴商业航拍开始逐渐兴起,各种场景的应用较大地提升了四轴飞行器的知名度。

2010年,法国人Alex在模型网站Regroups发布了他的Multiwii飞控程序,彻底地将四轴飞行器的制作拉到了“平易近人”的水平。Multiwii使用数字传感器,通过IIC数据总线传输数据,因此比之前的模拟传感器飞控更加方便且小型化;而其使用的控制器也是非常大众化的arduino。虽然Multiwii程序写的并非特别易读,但在硬件DIY方面,直到今天也是最简单、皮实的飞控之一。

此后,四轴飞行器的制作成本进一步降低,四轴的DIY在买配件组装,以及四轴飞控硬件制作方面变得比较容易。

不过,四轴飞行器最核心的知识还在于飞行控制算法的设计和程序的编写,因此我们今天能比较方便地DIY四轴飞行器,要特别向开源的MK飞控、MWC飞控、KK_C固件、Anotech飞控、madwick四元数代码的作者,以及很多写了大量非常好的四轴程序分析的人们表达敬意。

目前,在高校竞赛方面,四轴飞行器已经不断出现在各种赛事中,从各类创新杯到电子设计竞赛,都可以看到四轴飞行器的身影,有的是作为其他功能的载体,有的是直接作为题目要求。

在具体的应用场景上,四轴飞行器的航拍目前己经比较成熟,各种提供航拍服务的公司层出不穷,“爸爸去哪”里面的大疆飞行器就是典型;由于四轴飞行器的飞行比较稳定灵活,各种救灾、侦查也都有应用四轴飞行器的趋势;总之,四轴飞行器近几年取得了蓬勃的发展,而由四轴衍生出来的六轴、八轴、十二轴飞行器等,也都在陆续出现,四轴飞行器研究可说是一个充满活力、多个学科融合的领域。

上面的论述,大多是针对较大的四轴飞行器(轴距250 mm以上)而言的,目前航拍等主力也是这类四轴飞行器。但是,较大的四轴飞行器也有一些难以克服的缺点。

例如:耗电较大;

1、旋翼力量很大,调试中容易发生危险;

2、太大,不易细致地观察与调试控制效果;

3、航拍中容易被发现,不利于隐蔽;

4、对飞行场地面积要求较高;

5、制作成本较高;

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