可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)的設(shè)計(jì)研究

西安航空學(xué)院機(jī)械學(xué)院 張康智 楊武成 楊北辰 王 振 呂雷波 李 敏 胡 申

目前，廢舊炮彈危險(xiǎn)物品以及人難以觸及的物品的拆除主要是在半自動(dòng)化狀態(tài)下完成的，自動(dòng)化程度低。拆除這些物品時(shí)，如果操作不慎，容易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，研制可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)，可以在無(wú)人操作的情況下成功抓取危險(xiǎn)物品以及人工難以觸及的物品，對(duì)于提高拆爆抓物的自動(dòng)化程度和安全系數(shù)具有非常重要的意義。

1 可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)包括四旋翼、無(wú)線傳輸視頻、單獨(dú)機(jī)械手臂、手爪等（見(jiàn)圖1[1]）。四旋翼直升機(jī)是一種具有4個(gè)螺旋槳的飛行器，4個(gè)螺旋槳呈十字交叉結(jié)構(gòu)，或者以其他形狀分布；相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，并分為兩組，且每組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼直升機(jī)只能通過(guò)改變螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。四旋翼飛行器還是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行；但是，從另一方面來(lái)說(shuō)，四旋翼直升機(jī)有4個(gè)輸入力，同時(shí)卻有6個(gè)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（指少輸入多輸出系統(tǒng)）。通常的旋翼式直升機(jī)具有傾角可以變化的螺旋槳，而四旋翼直升機(jī)與此不同，它的前后和左右兩組螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，并且通過(guò)改變螺旋槳速度來(lái)改變升力，進(jìn)而改變直升機(jī)的姿態(tài)和位置。并且，此四旋翼機(jī)下方有一個(gè)活動(dòng)的機(jī)械臂，下方的四爪活動(dòng)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行拆爆，或者進(jìn)行靈活的抓取。

圖1 可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of unmanned quadcopter for bomb disposal

圖2為四旋翼無(wú)人直升機(jī)放置攝像頭的云臺(tái)。組裝時(shí)，先焊接直升機(jī)內(nèi)部主板電路板，并通過(guò)電路板中的電路調(diào)制與傳輸設(shè)備裝配接收，繼而檢查可視屏幕遙控是否正確，然后組裝傳動(dòng)結(jié)構(gòu)連接四旋翼。圖3為四旋翼直升機(jī)機(jī)架主體部分示意圖。試調(diào)節(jié)攝像頭與云臺(tái)間的相對(duì)位置，最后確定成像合格之后開(kāi)始裝配四旋翼。先裝配四旋翼下的雙軸，之后連接四旋翼與電機(jī)傳動(dòng)軸，并裝配其他部件。最后，從主板引出電路線到機(jī)械臂上，并接入舵機(jī)，調(diào)節(jié)至合適位置。之后要進(jìn)行平衡測(cè)試，這非常重要，因平衡稍有誤差就會(huì)前功盡棄，如一次簡(jiǎn)單的試飛就可能會(huì)使前邊組裝的部件摔壞，或使電路板受到損傷，所以調(diào)試平衡時(shí)要非常小心，這樣才能減少操作失誤引起的損失。調(diào)試平衡時(shí)，飛機(jī)不能飛得太高，而且必須采取必要的保護(hù)措施使飛機(jī)發(fā)生意外墜落時(shí)得到有效的保護(hù)，如可以在地面放一些塑料泡沫或紙板。雖然調(diào)試平衡很重要，但也要注意自身安全。測(cè)試過(guò)程中由于螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)會(huì)構(gòu)成安全隱患，建議開(kāi)始前做好必要的穩(wěn)定性檢查和安全防護(hù)措施。

圖2 攝像頭云臺(tái)Fig.2 Camera stabilizer

圖3 四旋翼直升機(jī)機(jī)架主體部分Fig.3 Main body of quadcopter frame

將旋翼裝在機(jī)架上，調(diào)試電機(jī)的帶動(dòng)后，檢查旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)是否平穩(wěn)，另外還需在調(diào)試之前裝好旋翼保護(hù)夾[2]，避免旋翼脫離機(jī)架。圖4為四旋翼直升機(jī)機(jī)架旋翼部分示意圖。安裝攝像頭之前需要先裝好云臺(tái)，云臺(tái)鎖定在四旋翼直升機(jī)中心下方，先用螺絲上緊，并且用相應(yīng)的捆綁設(shè)施束縛緊，保證云臺(tái)不會(huì)掉下，繼而安裝攝像頭。先固定好攝像頭，調(diào)試其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，保證攝像頭活動(dòng)范圍內(nèi)無(wú)障礙。然后插入主板接通電源，接著裝配無(wú)線傳輸系統(tǒng)，檢測(cè)無(wú)線遙控設(shè)備與攝像頭是否同步傳輸，查看顯示器上是否有同步拍攝傳輸。

組裝好旋翼直升機(jī)的機(jī)械手臂（見(jiàn)圖5），然后安裝到直升機(jī)下方，并調(diào)試其活動(dòng)范圍，保證不會(huì)撞到機(jī)身或者其他部位，之后接上舵機(jī)，接通電路與主機(jī)即可。

2 可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)的特征與優(yōu)點(diǎn)

（1）可以穩(wěn)定懸浮的四旋翼。共軸雙旋翼直升機(jī)具有繞同一理論軸線一正一反旋轉(zhuǎn)的上下兩副旋翼，由于轉(zhuǎn)向相反，兩副旋翼產(chǎn)生的扭矩在航向不變的飛行狀態(tài)下相互平衡，通過(guò)所謂的上下旋翼總距差動(dòng)產(chǎn)生不平衡扭矩可實(shí)現(xiàn)航向操縱。也就是說(shuō)，共軸雙旋翼在直升機(jī)的飛行中，既是升力面又是縱橫向和航向的操縱面，可以有效地保持飛行時(shí)的平衡。

（2）操作靈活的攝像頭。所拍攝畫(huà)面可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇K端，便于及時(shí)改變航線，或者作出及時(shí)的應(yīng)對(duì)。另外，攝像頭可以調(diào)節(jié)到不同方向，拍攝到想要撲捉的任何視角。且攝像頭在云臺(tái)上控制，可以有效減小因顛簸產(chǎn)生的視頻晃動(dòng)不清晰等問(wèn)題。

圖4 四旋翼直升機(jī)機(jī)架旋翼部分Fig.4 Rotor of quadcopter frame

圖5 機(jī)械臂Fig.5 Robotic arm

（3） 獨(dú)立的機(jī)械手臂。機(jī)械手臂所用材料為鋁合金，可有效地減輕機(jī)身所受重量，且不會(huì)改變強(qiáng)度，使在抓取物體或進(jìn)行拆爆時(shí)有效避免折斷手臂或者出現(xiàn)裂縫等傷害。同時(shí)，機(jī)械手臂上用舵機(jī)連接，有效地增加了其靈活度。在飛機(jī)懸浮抓取物體時(shí)，可通過(guò)視頻控制機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取或者拆除。此外，機(jī)械手臂還可以作為支架使用。

（4）使用新型機(jī)電結(jié)合裝置，使用方便，操作簡(jiǎn)單、可靠，易于推廣使用。

（5）可廣泛應(yīng)用于航拍、救援、軍事等領(lǐng)域，不僅操作簡(jiǎn)單且使用方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)際上對(duì)可拆爆四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究正處于發(fā)展階段，而國(guó)內(nèi)則還處于初級(jí)階段。本文對(duì)四旋翼無(wú)人直升設(shè)計(jì)、裝配、材料及安裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，四旋翼無(wú)人直升機(jī)將能夠更好地滿(mǎn)足軍事和民用的應(yīng)用需求。

[1] 彭召勇.無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.

[2] 陳巍.無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.