基于Arduino 的物流多旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

蘇吉陽(yáng)

（廈門(mén)技師學(xué)院，福建 廈門(mén) 361101）

0 引言

隨著電子商務(wù)發(fā)展的迅速增長(zhǎng)，快遞產(chǎn)品的“最后一公里”配送變得越來(lái)越關(guān)鍵，和人工配送比較，無(wú)人機(jī)配送具有體積小、花費(fèi)低、見(jiàn)效快、作業(yè)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，能夠明顯降低物流配送壓力［1］；同時(shí)，在新冠疫情的影響下，避免無(wú)謂的人群接觸已變成常態(tài)，也進(jìn)一步推動(dòng)了無(wú)人機(jī)物流運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

近些年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，其在多個(gè)行業(yè)中都具有了相當(dāng)廣闊的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)人機(jī)在物流運(yùn)營(yíng)方面的運(yùn)用也進(jìn)行了深入探討，但對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用目前還是存在著一些的限制條件與困難。就目前使用的傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)而言，其自身設(shè)計(jì)也存在缺陷，例如傳統(tǒng)的小型無(wú)人機(jī)航程較小、負(fù)載量比較小，而在貨運(yùn)端使用時(shí)無(wú)法適應(yīng)各類(lèi)運(yùn)輸商品的不同定制需求等［2］。雖然國(guó)內(nèi)一直在積極進(jìn)行探討，不過(guò)目前大部分無(wú)人機(jī)技術(shù)還處于集中在空曠地區(qū)進(jìn)行研究型試驗(yàn)的狀態(tài)，因此，無(wú)人機(jī)在具體使用中的操作和空間管控問(wèn)題亟待解決。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)行小型無(wú)人機(jī)的運(yùn)輸過(guò)程的缺陷，對(duì)物流無(wú)人機(jī)進(jìn)行完善。在運(yùn)行配送環(huán)節(jié)中，存在無(wú)人機(jī)物流配送需要人工輔助裝卸，續(xù)航能力較弱等問(wèn)題，故采用夾爪式拾取設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能輔助供電等各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在飛控以及Arduino 的控制下，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在物流過(guò)程中更加高效地工作。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)人機(jī)草圖

根據(jù)研究所設(shè)定性能要求，針對(duì)無(wú)人機(jī)配送的劣勢(shì)，提出以下改進(jìn)方案：無(wú)人機(jī)續(xù)航能力弱，導(dǎo)致不能長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行配送，為了提高無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，通過(guò)大幅度減輕無(wú)人機(jī)起飛重量，采用非主要受力部分鏤空設(shè)計(jì)，采用碳纖維材料、PLA打印材料打造機(jī)身，在外殼上裝有太陽(yáng)能板，在有陽(yáng)光天氣下，可為鋰電池輔助充電。無(wú)人機(jī)配送需要更大的載重要求，采用大型號(hào)螺旋槳和大功率無(wú)刷電機(jī)提供升力，使得無(wú)人機(jī)載重能力上升。無(wú)人機(jī)在爬升時(shí)，會(huì)受到空氣阻力等外部因素影響，采用起落架收放式設(shè)計(jì)，有效減少空氣阻力，減少對(duì)于電能的消耗。為減少無(wú)人機(jī)配送時(shí)的人工輔助裝卸，采用夾爪式拾取設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)投放，使物流配送更加智能化、自動(dòng)化。

綜上所述，本文將對(duì)配送無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力、載重能力以及物品裝卸進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，方案草圖如圖1 所示。

圖1 物流無(wú)人機(jī)草圖

1.2 基本飛行任務(wù)剖面

飛機(jī)工作剖面，是為了實(shí)現(xiàn)某一特殊飛行目標(biāo)而所描繪的飛機(jī)工作軌跡圖，是設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的基本參數(shù)依據(jù)，也就是在快件配送時(shí)，無(wú)人機(jī)所必須進(jìn)行的基本工作過(guò)程，圖2 所示為基本工作剖面圖，當(dāng)無(wú)人機(jī)使用夾爪夾起快件時(shí)，在垂直飛行時(shí)通過(guò)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了爬升，在爬升同時(shí)，收取起落架；當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)，在垂直下落階段，無(wú)刷電機(jī)速度減小，使無(wú)人機(jī)緩慢降落，即將達(dá)到地面時(shí)，起落架下放，再將物品放置指定位置。

圖2 執(zhí)行任務(wù)剖面圖

1.3 總體布局

由1.1 ～1.2 節(jié)提出的設(shè)計(jì)方案對(duì)無(wú)人機(jī)整體進(jìn)行布局，懸臂及起落架均為對(duì)稱(chēng)分布，并在機(jī)身下部加上夾爪，物流無(wú)人機(jī)整裝圖如圖3 所示。為了解決四旋翼無(wú)人機(jī)的陀螺效應(yīng)，采用正反轉(zhuǎn)電機(jī)以及正反槳葉的設(shè)計(jì)［3-4］，通過(guò)分電板控制每個(gè)旋翼電機(jī)的功率，從而改變無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂粕?，使物流無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 物流無(wú)人機(jī)整裝

1.4 機(jī)體參數(shù)確定

機(jī)身軸距為兩個(gè)電機(jī)軸之間的距離，整體直徑距離為電機(jī)軸加上螺旋槳的長(zhǎng)度，整體高度為起落架至外殼頂部的距離確定，可承受重量范圍由升力及重力加夾爪確定，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)體參數(shù)

1.5 機(jī)體設(shè)計(jì)

為了減少執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)受到空氣阻力等影響，采用收放式起落架設(shè)計(jì)，主要由起落架、舵機(jī)、四連桿機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)起飛時(shí)，通過(guò)手機(jī)端發(fā)送指令至Arduino開(kāi)發(fā)板中，使得舵機(jī)正轉(zhuǎn)，四連桿機(jī)構(gòu)也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，讓起落架抬升，從而減少空氣阻力；當(dāng)下落時(shí)，使舵機(jī)反轉(zhuǎn)，連桿帶動(dòng)起落架下放，減少下落時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的緩沖，起落架的抬升角度可達(dá)60°，在運(yùn)行時(shí)，不出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，收放自如，圖4 所示為起落架收放設(shè)計(jì)圖。

圖4 起落架收放設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力不足，在無(wú)人機(jī)的上外殼安裝一塊180 mm的太陽(yáng)能板，為無(wú)人機(jī)進(jìn)行輔助供電［5］，在飛行過(guò)程中，太陽(yáng)能板捕獲陽(yáng)光，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，存儲(chǔ)在電池里［6］，圖5 所示為太陽(yáng)能板。

圖5 太陽(yáng)能板

無(wú)人機(jī)的機(jī)身主要由上外殼、中部盤(pán)、下外殼組成，機(jī)身質(zhì)量均勻分布，保持重心位于機(jī)身重心位置，維持飛行平穩(wěn)［7］。上外殼上裝有太陽(yáng)能板和GPS，將GPS 裝至外部，使無(wú)人機(jī)接收信號(hào)更為靈敏；中部盤(pán)上裝有分電板、接收器以及電調(diào)，并在其非受力部分進(jìn)行鏤空式設(shè)計(jì)，減少機(jī)身的質(zhì)量；下外殼為主要承重部位，裝有電池以及飛控，充分利用機(jī)身的內(nèi)部空間，并將外殼進(jìn)行防水處理。

在無(wú)人機(jī)外殼底部裝有小型蝸輪蝸桿夾持器和攝像頭，通過(guò)攝像頭進(jìn)行觀(guān)測(cè)，飛行至指定位置，通過(guò)手機(jī)端發(fā)送指令至Arduino開(kāi)發(fā)板，夾取物品以及放置物品。夾持器內(nèi)部采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，不僅能獲得較大的傳動(dòng)比，具有自鎖性，夾抓的開(kāi)閉是通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制，設(shè)夾抓的最大開(kāi)角為40°，可夾取0 ～5 kg的物品，為了減少對(duì)物品表面的損傷，提高摩擦因素，物品與夾爪之間設(shè)計(jì)由面接觸［8］，圖6所示為夾爪式收取。物流無(wú)人機(jī)機(jī)身及各個(gè)部位由上述結(jié)構(gòu)組成，無(wú)刷電機(jī)和螺旋槳為無(wú)人機(jī)提供拉力，Arduino開(kāi)發(fā)板、飛控為控制中心，GPS 為定位系統(tǒng)，大容量鋰電池和太陽(yáng)能輔助供電為能源系統(tǒng)，夾爪式收取設(shè)計(jì)與起落架收放設(shè)計(jì)，一定程度上增強(qiáng)續(xù)航能力以及智能化，圖7所示為無(wú)人機(jī)起飛與降落姿態(tài)。

圖7 無(wú)人機(jī)的起飛與降落

1.6 生產(chǎn)制造材質(zhì)選擇

中部盤(pán)為圓盤(pán)，使用質(zhì)量輕，強(qiáng)度高碳纖維材料，對(duì)鏤空式部位用激光切割機(jī)進(jìn)行切割，外殼部分以及部分非標(biāo)零部件用3D 打印材料PLA 制成，其余標(biāo)準(zhǔn)件均直接采購(gòu)進(jìn)行組裝。夾爪中的部分零件用3D 打印件，而一些主要受力部分用復(fù)合材料制作，使得無(wú)人機(jī)起飛時(shí)，承重降低。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

物流無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)主要由飛控和Arduino開(kāi)發(fā)板組成，飛控是用于在起飛、巡航、降落等階段輔助或全自主對(duì)飛行器的其他系統(tǒng)及元器件起到協(xié)同控制的元件［9］。

2.2 工作流程

該無(wú)人機(jī)的兩個(gè)機(jī)構(gòu)由Arduino 開(kāi)發(fā)板控制，當(dāng)垂直起飛時(shí)，通過(guò)手機(jī)端輸送抬升指令，Arduino開(kāi)發(fā)板接收到指令后［10］，使舵機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)使得起落架抬升；當(dāng)垂直下落時(shí)，重復(fù)上述指令，舵機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)使起落架下放。當(dāng)夾取物品時(shí)，輸入指令，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)使夾爪閉合；當(dāng)放置物品時(shí)，夾爪張開(kāi)，控制系統(tǒng)原理如圖8 所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理

飛控主要控制無(wú)人機(jī)的起飛、懸停、下落等指令，并可以通過(guò)飛控調(diào)節(jié)起飛的速度以及在飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)向，特別在物流無(wú)人機(jī)下降時(shí)，確定好指定位置時(shí)，對(duì)物品的夾取需要更高的精確度，通過(guò)飛控對(duì)指定位置做適度的判斷，再進(jìn)行緩慢降落。

3 配件選擇及靜力分析

3.1 無(wú)刷電機(jī)

對(duì)于無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電刷閉合時(shí)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電刷斷開(kāi)時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)［11］。專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)起飛需要至少4 ～6 個(gè)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)飛控控制無(wú)人機(jī)的速度和方向［12］。多旋翼的電機(jī)最大拉力總和不能低于無(wú)人機(jī)總重的1.5 倍。無(wú)刷電機(jī)提供升力時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行正反槳確定，保證其提供升力。

物流無(wú)人機(jī)可夾持0 ～2 500 g的重物，且自身質(zhì)量為2 600 g，按最大夾持重量計(jì)算，該無(wú)人機(jī)總質(zhì)量為5 100 g，通過(guò)計(jì)算得出至少需要能夠承載7 650 g 以上的拉力，由于是四旋翼無(wú)人機(jī)，所以單個(gè)無(wú)刷電機(jī)的負(fù)載能力為1 912.5 g以上，才能滿(mǎn)足飛行要求。

按照上述計(jì)算，選用型號(hào)為T(mén)YI-5008 KV400 的5008無(wú)刷電機(jī)，每個(gè)無(wú)刷電機(jī)可提供的負(fù)載能力為1 920 g，螺旋槳選用1655 碳纖槳，60%油門(mén)消耗為208.8 W，且每個(gè)電機(jī)的質(zhì)量為156 g，由實(shí)驗(yàn)測(cè)算得出結(jié)果，符合選型條件，無(wú)刷電機(jī)具體參數(shù)如表2 所示。

表2 無(wú)刷電機(jī)參數(shù)

3.2 太陽(yáng)能板

在上外殼頂部裝有一塊大小為180 mm 的太陽(yáng)能板［13］，在有陽(yáng)光天氣下執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，能有效地接收到陽(yáng)光，并將其轉(zhuǎn)化成太陽(yáng)能，該無(wú)人機(jī)采用多晶硅太陽(yáng)能滴膠板，為電池輔助供電，轉(zhuǎn)化效率較好，在一定程度上增強(qiáng)續(xù)航能力。

3.3 電池

3.3.1 電池型號(hào)

采用大容量鋰電池作為無(wú)人機(jī)能源系統(tǒng)，該電池有兩個(gè)USB接口，一端為攝像頭和Arduino 開(kāi)發(fā)板進(jìn)行供電，另一端為無(wú)刷電機(jī)和夾持器等元器件進(jìn)行供電，并且通過(guò)太陽(yáng)能板為電池輔助充電，電池釋放電能通過(guò)分電板將電流分布給4 個(gè)無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)電調(diào)控制，使其接收電流及電壓相等，運(yùn)行平穩(wěn)，電池參數(shù)如表3 所示。

表3 電池參數(shù)

3.3.2 電池續(xù)航能力計(jì)算

由于每個(gè)無(wú)刷電機(jī)在進(jìn)行爬升過(guò)程中，會(huì)有60%油門(mén)消耗，且最大電流為8.7 A，所以平均每個(gè)無(wú)刷電機(jī)消耗8.7Α×60% ＝5.22 Α，則4 個(gè)無(wú)刷電機(jī)消耗5.22 Α×4 ＝20.88 Α。

當(dāng)物流無(wú)人機(jī)在爬升過(guò)程中，遭遇大風(fēng)以及外部因素的干擾，其油門(mén)消耗將會(huì)進(jìn)一步增加，需要有更多電流去調(diào)整其平穩(wěn)性，假設(shè)油門(mén)消耗增加至70%，則每個(gè)無(wú)刷電機(jī)消耗電流為8.7 Α ×0.7 ＝6.09 Α，則4 個(gè)無(wú)刷電機(jī)消耗電流為6.09 Α×4 ＝24.36 Α。

大容量鋰電池的總?cè)萘繛?0 A·h，釋放的電流為10 A·h ×60 min ＝600 （Α·h）／h，600 （A·h）／h ÷24.36 A ＝24.6 min，當(dāng)有太陽(yáng)能板進(jìn)行輔助供電時(shí)，在有陽(yáng)光的天氣下，續(xù)航時(shí)間可達(dá)27 min。

4 SolidWorks Simulation仿真分析

中間盤(pán)為無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的主要承重部位，通過(guò)SolidWorks Simulation 對(duì)中間盤(pán)進(jìn)行靜力學(xué)分析，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。材料選用碳纖維材料，通過(guò)夾具將中間盤(pán)夾緊，在上方施加500 N 的重力，通過(guò)運(yùn)動(dòng)算例得出分析結(jié)果［14］。

由圖9 可以看出中間盤(pán)發(fā)生最大變形出現(xiàn)在鏤空部位的邊緣處，但是鏤空部位不承重，最大應(yīng)力為2.680×104Pa，而其余部位受到載荷均良好，明顯遠(yuǎn)低于對(duì)應(yīng)材料碳纖維的許用應(yīng)力值，符合承重要求［15］。由圖10可以看出中間盤(pán)發(fā)生最大變形出現(xiàn)在外端邊緣處，最大形變量為1.177×10-4mm，但位移距離變化不大，而中間主要承重部位不發(fā)生位移變化，符合其要求。

圖9 中間盤(pán)應(yīng)力變化分布

圖10 中間盤(pán)位移變化分布

由圖11可以看出中間盤(pán)應(yīng)變發(fā)生最大變形出現(xiàn)在鏤空部位，最大形變量為8.821×10-6mm，其余部位受到的應(yīng)力較小，其最大形變量處于材料的運(yùn)行的范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款既能延長(zhǎng)續(xù)航能力，又能實(shí)現(xiàn)智能化配送的無(wú)人機(jī)，通過(guò)對(duì)起落架收放設(shè)計(jì)，夾爪式拾取設(shè)計(jì)，配合太陽(yáng)能輔助供電，使得物流無(wú)人機(jī)在多次執(zhí)行配送任務(wù)時(shí)，克服了物流無(wú)人機(jī)的缺陷，使得物流無(wú)人機(jī)在現(xiàn)存問(wèn)題上得到進(jìn)一步改善。該無(wú)人機(jī)可以有效運(yùn)用系統(tǒng)特點(diǎn)及其在高空行駛的優(yōu)點(diǎn)，在配送快遞行業(yè)的運(yùn)用將變得更為普遍。