水空兩用無人機(jī)的設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究

文偉，鄧昌勝，樊志緯，呂雯昕，王純賢，吳煒

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

0 引言

水空兩用無人機(jī)是一種集空中飛行與水下潛行功能于一體的創(chuàng)新型無人機(jī)，可執(zhí)行警戒、偵測、突防等軍事任務(wù)和大壩檢修、水質(zhì)檢測、航拍、潛拍等民事任務(wù)，具有較高的靈活性，有重要的軍用與民用價(jià)值[1-3]。通過對(duì)水空兩用無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、水下浮沉系統(tǒng)與信號(hào)傳輸系統(tǒng)等進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，保證水空兩用無人機(jī)在復(fù)雜的多介質(zhì)領(lǐng)域中平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)加入超聲波自主避障、GPS定點(diǎn)、航線規(guī)劃等功能設(shè)計(jì)。無人機(jī)全機(jī)身防水，具有良好的抗壓、抗強(qiáng)水流特性。

1 水空兩用無人機(jī)整體設(shè)計(jì)

水空兩用無人機(jī)以STM32F407ZET6單片機(jī)為控制芯片，主要由控制模塊、動(dòng)力模塊、視頻傳輸模塊、水下浮沉模塊、信號(hào)傳輸模塊等主要模塊組成。其中控制模塊主要由傳感器、主控芯片、執(zhí)行部分與無線通信部分組成，用于控制無人機(jī)在空中與水中的工作姿態(tài)；動(dòng)力模塊主要由電調(diào)、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳與鋰電池等組成，為無人機(jī)提供動(dòng)力；視頻傳輸模塊指圖像傳輸系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸攝像機(jī)圖像；浮沉模塊主要由真空艙、水氣兩用泵和電磁閥等組成，控制無人機(jī)在水中的上浮和下沉；信號(hào)傳輸模塊主要由遙控器和接收模塊構(gòu)成，接收模塊接收由遙控器發(fā)來的指令，并將指令發(fā)送給控制模塊。無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水空兩用無人機(jī)整體設(shè)計(jì)

2 水空兩用無人機(jī)工作原理

2.1 空中飛行原理

水空兩用無人機(jī)空中飛行模式基于四旋翼無人機(jī)飛行原理，使用四組電機(jī)和螺旋槳作為驅(qū)動(dòng)力，四個(gè)電機(jī)機(jī)臂互為90°夾角，四組電機(jī)的軸距相等。兩組電機(jī)和螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩組逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的扭矩互相抵消。通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，控制無人機(jī)的升力、扭矩、水平分力等，以完成上升、懸停、下降、偏航、前后與左右運(yùn)動(dòng)[4]。

2.2 水下浮沉結(jié)構(gòu)浮沉原理

水空兩用無人機(jī)在水中運(yùn)行時(shí)，需要通過電磁閥、真空泵、真空艙組成的浮沉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上浮和下沉，并控制無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。水空兩用無人機(jī)的浮沉模塊是基于潛水艇的浮沉原理設(shè)計(jì)的，具有體積小、耗能小、浮沉易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)無人機(jī)浮于水面上時(shí)，電磁閥打開，水氣兩用泵向真空艙中注水，使無人機(jī)懸浮于水中，關(guān)閉電磁閥。若要實(shí)現(xiàn)下潛，打開電磁閥并使真空泵運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)向真空艙中的注水量，實(shí)時(shí)控制無人機(jī)的下潛深度；若要實(shí)現(xiàn)上浮，關(guān)閉電磁閥并使真空泵運(yùn)行，將真空艙內(nèi)水抽出，使無人機(jī)上浮至水面，控制浮沉的原理圖如圖2所示。

圖2 浮沉原理

水空兩用無人機(jī)在飛行模式下，使用的是尺寸較大的槳葉；在潛水模式下為了減小槳葉水下運(yùn)行的阻力，需要更換尺寸較小的槳葉。無人機(jī)通過浮沉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)浮沉功能的同時(shí)，可以結(jié)合電機(jī)的低速旋轉(zhuǎn)，提高浮沉系統(tǒng)的工作效率。

3 控制系統(tǒng)硬件與算法設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示。采用STM32F407ZET6為主控芯片，其主頻高達(dá)168MHz，片內(nèi)封裝大小為512KB的Flash，自帶DSP指令和浮點(diǎn)處理單元，有利于提高無人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)的計(jì)算速度。選用姿態(tài)角傳感器ICM 20602（含加速度計(jì)與陀螺儀）、QMC5883磁力計(jì)、MS5611氣壓計(jì)、溫度傳感器等。硬件電路預(yù)留的USART接口可用于外接超聲波、激光、光流等傳感器，通過傳感器測距，實(shí)現(xiàn)自主避障與定點(diǎn)懸停等功能?？刂朴布娐吩O(shè)有14個(gè)PWM輸入輸出接口，可用于遙控器PWM信號(hào)的輸入與電子調(diào)速器、舵機(jī)等PWM控制信號(hào)的輸出。另外，配置1.3寸OLED屏幕，通過IIC與主控芯片通信，可用于顯示無人機(jī)工作狀態(tài)、電壓、控制信號(hào)連接強(qiáng)度等信息。

圖3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2 控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

水空兩用無人機(jī)的控制系統(tǒng)需要控制空中飛行姿態(tài)、飛行高度、潛水姿態(tài)、下潛深度等，其中飛行姿態(tài)與水下運(yùn)動(dòng)控制為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。采用串級(jí)PID控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行控制與下潛深度控制，控制器原理圖如圖4所示。其中內(nèi)環(huán)、外環(huán)中的PID控制器均采用離散增量PID算法，內(nèi)環(huán)PID控制器進(jìn)行角速度控制，外環(huán)PID控制器進(jìn)行角度控制[5]。離散增量PID算法公式為：

圖4 水空兩用無人機(jī)串級(jí)PID控制

公式中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)；n為采樣序號(hào)，n=0，1，2....；U（n）為第n次采樣時(shí)的輸出；e(n)和e（n-1）為第n次和第（n-1）次采樣時(shí)的輸入誤差；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣周期。

4 實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)物樣機(jī)制作

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，使用Solid Works建模軟件進(jìn)行3維圖像建模，采用3D打印核心艙、真空艙等非標(biāo)準(zhǔn)件。無刷電機(jī)、槳葉、電子調(diào)速器等元件根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選配。最終完成水空兩用無人機(jī)的實(shí)物樣機(jī)，如圖5所示。使用軟件Proteus進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)電路硬件設(shè)計(jì)并進(jìn)行PCB打板，基于STM32F407單片機(jī)，使用軟件Keil uvison5進(jìn)行飛行控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

圖5 水空兩用無人機(jī)實(shí)物樣機(jī)

4.2 空中飛行實(shí)驗(yàn)

在無人機(jī)飛行測試場地，對(duì)水空兩用無人機(jī)飛行模式下的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，控制無人機(jī)上升到空中并定點(diǎn)懸停一段時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加入磁力計(jì)校準(zhǔn)后，無人機(jī)不會(huì)因?yàn)榧铀俣扔?jì)與陀螺儀的累計(jì)誤差而產(chǎn)生溫度漂移與零點(diǎn)漂移。并且無人機(jī)的前后、左右運(yùn)動(dòng)均正常。多次測試表明，水空兩用無人機(jī)控制系統(tǒng)在飛行模式下工作狀況良好。

圖6 水空兩用無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)

4.3 水下密封性實(shí)驗(yàn)

水空兩用無人機(jī)在潛水模式下的氣密性對(duì)于保護(hù)電路系統(tǒng)至關(guān)重要。在正式下水前需進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性測試，著重檢查螺紋連接處、艙體內(nèi)部、兩艙連接處等，在艙體內(nèi)部放置水檢測試紙，若艙體漏水則試紙變色。將無人機(jī)置于水池中，使水沒過無人機(jī)，如圖7所示，放置一段時(shí)間后，再打開艙體蓋，檢查試紙是否變色。在淺水池、深水池中進(jìn)行的多次實(shí)驗(yàn)表明，無人機(jī)艙體氣密性良好，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

4.4 水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過氣密性實(shí)驗(yàn)后，在深水池中進(jìn)行水空兩用無人機(jī)的水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過控制電磁閥、真空泵，控制真空艙的進(jìn)水量、排水量，結(jié)合低速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)水下的浮沉運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無人機(jī)切換到潛水模式后，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)浮沉運(yùn)動(dòng)。

圖8 水下浮沉實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一種水空兩用無人機(jī)，建立了幾何模型并進(jìn)行了有限元分析，建立了水空兩用無人機(jī)的串級(jí)PID控制系統(tǒng)模型，完成了飛行、潛水兩種模式的控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，并最終完成了實(shí)物樣機(jī)的制作與實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，這種設(shè)計(jì)方案可以使無人機(jī)集飛行功能與潛水功能于一體，可應(yīng)用于多介質(zhì)的復(fù)雜環(huán)境。本設(shè)計(jì)為水空兩棲無人機(jī)的研究提供了一種思路，具有一定的參考價(jià)值。但是，該設(shè)計(jì)對(duì)于無人機(jī)跨介質(zhì)與水下運(yùn)動(dòng)的研究還有許多不足，下一步將圍繞這些問題展開。