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:

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。

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。

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。

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;

旋翼力量很大,调试中容易发生危险;

太大,不易细致地观察与调试控制效果;

航拍中容易被发现,不利于隐蔽;

对飞行场地面积要求较高;

制作成本较高。

       由于四轴飞行器容易制作、飞行灵活,人们更希望其能够实现小型化及微型化,从而能进入更多的空间进行数据采集,也能够更好地节约能源,便于携带。因此,小型/微型四轴飞行器的研制,成为了四轴飞行器发展的趋势之一。实际上,小型/微型四轴飞行器的主体结构和大型四轴飞行器是一样的。一般轴距为150?250 mm於四轴飞行器还能勉强使用无刷电机,与一般的大四轴飞行器没有太大区别;而当四轴飞行器的轴距小于150 mm时,则进入了微型四轴飞行器的范畴,与较大的四轴飞行器有了一些差别。主要差别在于,微型四轴飞行器的体积很小,因此大多采用了空心杯电机,升力一般比较有限;而又由于体积小型化的需要,因此很多时候直接将控制板的PCB作为机架使用,因此,微型四轴飞行器的传感器容易受到机身振荡及电流的干扰;而体积小、升力不是很强也使得其控制规律相对大四轴飞行器更难以整定一些。

       另外,既轻又小的外形使得微型四轴飞行器惯性较小,因此运动状态极易改变,这使得对微型四轴飞行器的控制需要更高的控制频率。但是,也正因为有以上的这些特性,微型四轴飞行器也有很多的优势。例如,其制作成本比较低,调试相对容易简单,也更容易搭建系统的测试平台;而制作完成之后,执行任务的地点也更加多样化,而且因为比较小,所以容易和智能手机等连接,因此,研究微型四轴飞行器也成为当前的一个热点。

       在学术上,世界上对小型四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面:基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案,其典型代表分别是瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)的0S4、宾夕法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的GTMAS飞行器。

       前面两者已经有过叙述了,不再赘述。GTMARS是佐治亚理工大学面向火星探测任务而设计的CAD无人机系统,它重20kg,旋翼半径为0.92 m,续航时间为30 min。折叠封装的GTMARS随四面体着陆器登陆火星后,能自动将机构展开,能自主起飞和降落,巡航速度可达72 km/h;另外,它还能返回到着陆器补充能量(着陆器装载有太阳能电池)。

       HM4、GTMARS、Mesicopter。国内研究方面,国防科技大学在2004年进行了比较深入的从建模到实践的研究。从DIY的角度来看,最先出现的微型四轴飞行器DIY方案是MWC,较早的时候就有了“bmshedmotor”版本,也就是有刷空心杯电机的程序,并维持了MWC容易制作、皮实易用的特点。

       而bitcraze团队在2011年前后推出的Cmzyflie,则进一步发展了微型四轴飞行器,例如,使用了基于ARM-C〇retexM3的STM32处理器;集成了无线通信模块;包含了无线更新飞行程序功能;可无线充电;开发了像捕捉处理程序;飞行非常稳定;并且,其代码和硬件也是开源的。

       此后,微型四轴飞行器与智能手机连接,与WiFi联网、Zigbee协作等各种应用都不断地被开发出来,微型四轴飞行器的DIY也取得了很大的进步。至此,四轴飞行器的现状的小说明就告一段落了。由于四轴飞行器自身结合了力学、机械、单片机/嵌入式,以及自动控制等各种知识,因而对于高校的教学或者示范有着较好的价值;又由于四轴飞行器的较好的飞行性能,所以也比较容易搭载其他的各种外设,并且在系统运行的时候具有较强的表现力,也有着庞大的爱好者群体。

       当前虽然有较多的四轴飞行器资料,但是大多比较零散;且较多的停留在硬件组合阶段,没有深入分析四轴飞行器的代码和控制。自主编程制作的FlaPpy430微型四轴飞行器为蓝本,从四轴飞行器的力学原理,到四轴飞行器的控制器、传感器,以及四轴飞行器的编程等角度,比较深入地分享我们对于四轴飞行器的一些经验。

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