低成本的空中探测机器人设计

摘要本文所述的空中探测系统将以四轴飞行器为载体，主要进行四轴飞行器姿态算法及无线控制研究，机械结构设计，无线图像传输、GPS定位技术的研究，从而实现飞行器自稳悬停、基于2.4G的无线视频传输、GPS定位等功能。

关键词四旋翼飞行器；无线图传；姿态解算；GPS定位

本文的研究在民用领域可以用来抢险救灾、人员搜救，在地理测绘、矿场探测等方面可以发挥巨大作用；在军事领域，使用空中机器人可以突破地形地势对传统地面机器人的影响，对敌人军事设施的空间结构绘制，完成情报收集等工作，有着巨大的研究意义。

1 飞行原理

示意图

四轴飞行器四个旋翼对角线上的两个旋翼为一组，其中2号、4号使用正桨正转，1号、3号使用反桨反转，因而正转与反转产生的扭力相互抵消；1号、2号螺旋桨的升力与3号、4号螺旋桨的升力之差决定俯仰姿态；1号、4号螺旋桨的升力与2号、3号螺旋桨的升力之差决定横滚姿态。1号、3号螺旋桨升力与2号、4号螺旋桨的升力之差决定方向姿态。

2 机械设计

本文设计的飞行器载体主要设计成标准轴距为450的四旋翼飞行器，整个机体由四根20g铝方管和两片铝片制成的中心板构成。设计过程中，将控制电路板以及传感器尽可能的堆叠在机体的中心处，并在控制电路下方设计了必要的减震机构，用于减少来自电机的震动干扰，提高整体稳定性。推进系统由四个成正方形布置的无刷电机构成，电机对角线长度为450mm。每一对电机装有标准1045正反螺旋桨。在这种配置下，每个电机可提供最大约800克的推力，续航时间大约10min。

3 传感器与稳定性控制

四旋翼飞行器是一个高度非线性、不稳定的平台，它需要控制器来获取传感器测得的数据并通过适当的控制算法控制四个电机的旋转使其能够在空中平衡。本设计中采用MPU6050三轴加速度三轴陀螺仪芯片来采集飞行器姿态，并将陀螺仪采集的角速度和加速度计测得的欧拉角通过四元数算法融合得出飞行器的相对于地球姿态角，最后将这一结果送入比例-积分-微分控制器实现对四个电机的控制。

由于陀螺仪具有时间上的误差，其Z轴积分值得到的偏航角会随时间产生