緒論研究背景四軸無人機是當(dāng)今時代小型無人機中較為主流的機型，四軸無人機在航拍、巡檢甚至于運輸物品方面都有廣泛的應(yīng)用。如今，消費級的無人機是以大疆公司的無人機為代表，無論是在圖傳距離、智能跟隨、續(xù)航時間以及產(chǎn)品的性價比和可靠性都是無可挑剔的。相比之下野外救援無人機的研究與應(yīng)用就顯得非常空洞。四軸無人機的核心技術(shù)包括陀螺儀、加速度傳感器、電子羅盤、PID算法、無線通信、飛控系統(tǒng)設(shè)計。隨著各類UAV（無人機）的發(fā)展，無線圖傳、圖像識別、無人機自主飛行等技術(shù)也廣泛應(yīng)用到四軸無人機上。本文研究的內(nèi)容是關(guān)于野外救援四軸無人機飛行系統(tǒng)的設(shè)計，圍繞著無人機的核心技術(shù)以及最新技術(shù)，研究無人機硬件部分的改進(jìn)和軟件部分設(shè)計。四軸無人機不但易操控而且穩(wěn)定性極高（性能出色），在大眾生活中越來越普及，于此同時，其通信和系統(tǒng)可靠性顯得至關(guān)重要。四軸無人機不僅小巧玲瓏而且方便攜帶，最大程度的發(fā)掘無人機的功能無疑是四軸無人機發(fā)展的主要研究方向（可能引發(fā)革命）。本文據(jù)此深入探討了無人機的通訊問題、無人機系統(tǒng)的可靠性和無人機多功能設(shè)計方案，參考國內(nèi)外關(guān)于無人機的經(jīng)典設(shè)計給出更具有野外救援特色的無人機飛行系統(tǒng)。圖1.1利用無人機展開搜索本文針對野外救援無人機的復(fù)雜地形圖傳、意外情況處理、多功能拓展進(jìn)行討論包括無人機如何提高系統(tǒng)可靠性：無人機在工作時會遇到各種突發(fā)狀況傳感器失靈、主控掉電、電機失效、螺旋槳損壞等，這些都可能導(dǎo)致無人機墜毀和不同程度的損壞。這種問題尤為復(fù)雜，通常的解決辦法有關(guān)鍵傳感器冗余、增加副主控、雙電機設(shè)計，本節(jié)額外討論安全氣囊應(yīng)用于無人機的可行性。四軸無人機是當(dāng)今時代小型無人機的主流，四軸無人機的核心技術(shù)包括陀螺儀、加速度傳感器、電子羅盤、PID算法、無線通信、飛控系統(tǒng)設(shè)計。隨著無人機和無人機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無線圖傳、圖像識別、無人機自主飛行等技術(shù)也廣泛應(yīng)用到四軸無人機上。無人飛行器的發(fā)展無人飛行器也稱作無人駕駛飛行器（UAV），大致是UnmannedAerialVehicle其基本定義是依靠無線通信設(shè)備控制的無人飛機，或僅依靠自身完成指定飛行任務(wù)的飛行器，其中比較早出現(xiàn)的飛行器是用于戰(zhàn)爭的，甚至出現(xiàn)過借助動物完成自殺式攻擊的無人飛行導(dǎo)彈。一戰(zhàn)時期，來自\t"/item/%E6%97%A0%E4%BA%BA%E6%9C%BA/_blank"英國的卡德爾和皮切爾將軍首次提出無人機概念，這是一種用無線電控制攜帶炸彈的飛行器。此后無人機這個詞被不斷引用。圖1.2無人機野外巡檢無人飛行器發(fā)展簡史：20世紀(jì)20年代無人機剛剛問世，由英國兩位將軍首次提出；20世紀(jì)40年代無人機開始以軍用靶機的身份出現(xiàn)；20世紀(jì)50年代偵察無人機開始展露頭腳，并逐漸體現(xiàn)出它的優(yōu)勢；20世紀(jì)60年代無人機被頻繁用于戰(zhàn)爭；20世紀(jì)70年代微型計算機發(fā)展迅速，人類開始進(jìn)行太空探索。21世紀(jì)微機械陀螺儀MEMS技術(shù)開始成熟，無人機發(fā)展迅速。無人機的種類豐富，包括但不限于固定翼式、直升機式、導(dǎo)彈式、無人飛艇、無人航天航空器、多旋翼式、仿生飛行器、無人傘翼機、無人飛艇。在軍用領(lǐng)域較為常用的有固定翼式、飛行導(dǎo)彈；民用領(lǐng)域中，多旋翼式和固定翼航模較為普遍，值得一提的是多旋翼式在各類領(lǐng)域都有較大的普及，下面針對幾種有重要意義的飛行器進(jìn)行介紹。表1.1各類飛行器的簡單介紹飛行器主要升力來源特點工作狀態(tài)固定翼飛行器固定機翼滑翔起降、續(xù)航時間及里程長滑翔、動力飛行撲翼式飛行器撲翼仿生、噪音小、節(jié)能借助上升氣流滑翔、撲扇飛行、滑翔多旋翼飛行器螺旋槳可垂直起降、穩(wěn)定、易操作懸停、動態(tài)飛行自殺式飛行器推力發(fā)動機高機動、軍用、精準(zhǔn)、攻擊推力加速、準(zhǔn)拋物線飛行無人航空器發(fā)動機太空飛行、可靠性高、高尖端技術(shù)準(zhǔn)拋物線雙曲線飛行、大氣減速、懸停、動力加速2四軸野外救援無人機系統(tǒng)2.1四軸無人機飛行原理四軸飛行器是由MCU作為主控制器，通過實時讀取傳感器數(shù)據(jù)獲取無人機飛行狀態(tài)，從而調(diào)整飛機飛行姿態(tài)。四軸無人機的主要結(jié)構(gòu)是電機、螺旋槳、機架、飛控（整合大部分傳感器）、其他設(shè)備。首先是電機和螺旋槳，這是無人機的動力來源，是最容易獲取且是最重要的部分。四軸飛行器設(shè)計之初，考慮的第一個問題就是如何讓四個電機協(xié)同合作。為了抵消電機之間旋轉(zhuǎn)的扭矩，四個電機的組合方式必須為相對的電機旋轉(zhuǎn)方向相同、相鄰的電機旋轉(zhuǎn)方向相反。如圖2.1，電機1、3與電機2、4對立，電機1、3的扭矩和與電機2、4扭矩和之差就是飛機的和扭矩，而通過分配1、3或2、4兩兩之間的旋轉(zhuǎn)動量又可以完成無人機的傾斜動作，最后分配1、2、3、4電機的總動量可以控制螺旋槳的總升力，進(jìn)而控制無人機的飛行高度。圖2.1無人機螺旋槳工作狀態(tài)2.2四軸無人機軟件設(shè)計2.2.1程序設(shè)計綱要圖2.2軟件結(jié)構(gòu)無人機在程序上基本上分為后臺程序和前臺程序，后臺程序為主函數(shù)中循環(huán)運行的代碼，而前臺程序為中端服務(wù)函數(shù)。如何讓無人機系統(tǒng)運行時合理調(diào)度各個任務(wù)、避免程序運行計時溢出是無人機系統(tǒng)研究的重點，這直接影響到無人機系統(tǒng)的可靠性。程序的主循環(huán)（后臺程序）：利用定時器的計數(shù)，判斷運行的代碼。因為不同的任務(wù)所需的更新頻率不同，分配好任務(wù)更新周期可以大幅提高代碼效率。中斷函數(shù)：主要是信號接收任務(wù)。無人機作為信號傳遞雙方廣義上的從機，主要進(jìn)行的是接收信號的任務(wù)。而主要的中斷函數(shù)也會契合后臺程序的運行，以免打亂MCU接收傳感器的數(shù)據(jù)，例如在單總線通信時得避開中斷，某些高頻率的通信容錯率底，無法抗住中斷執(zhí)行時間，具體方案是講此類程序安排在主要中斷之后。2.2.2主要函數(shù)SPISPI通信需要配置的參數(shù)有時鐘頻率、數(shù)據(jù)順序、數(shù)據(jù)幀大小、主從設(shè)置、時鐘相位等。在單片機編程中，SPI通信一般通過硬件自動發(fā)送。一般SPI通信需要4個I/O口，分別是SCK（時鐘）、MOSI（masteroutputslaveinput）、MISO（同理）、CS（使能設(shè)備）。當(dāng)時鐘處于上升沿時，主從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，時鐘處于下降沿時，主從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，且時鐘信號是由主設(shè)備提供，如圖。圖2.3SPI通信簡圖IICIIC雖然也可以使用硬件驅(qū)動，但因其原理簡單，使用軟件模擬IIC成為一種潮流。IIC只需要兩根線就可以控制二的七次方個從設(shè)備，限制于單片機的驅(qū)動能力在實際使用中只會有兩三個設(shè)備。IIC有SDA、SCL兩個口，SDA為數(shù)據(jù)線，可以實現(xiàn)收發(fā)，SCL為時鐘線由主機控制。主機讀取從機寄存器值的通信流程：開始，由主機發(fā)出，拉高SCL然后拉低SDA接著，主機發(fā)送“從機地址+寫（0）”等待從機回應(yīng)ACK（在第八位數(shù)據(jù)傳輸后的低電平中拉低SDA，并持續(xù)到下個高電平結(jié)束）發(fā)送數(shù)據(jù)，寄存器地址或者命令結(jié)束IIC開始IIC發(fā)送從機地址加讀數(shù)據(jù)位等待響應(yīng)重復(fù){接收數(shù)據(jù)ACK（主機回應(yīng)）}結(jié)束圖2.4IIC讀寄存器數(shù)據(jù)流程獲取傾斜角數(shù)據(jù)讀取陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)，利用四元數(shù)融合計算出角度值?；蛘呃眯酒瑑?nèi)度的運動計算單元（DMP）自動輸出角度值。圖2.5四元數(shù)融合關(guān)系獲取控制數(shù)據(jù)流一般控制只需要六個字節(jié)，油門、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航加上包頭（s）和包尾（e），包頭，包頭包尾的作用是為了確定一個數(shù)據(jù)包，防止數(shù)據(jù)相位錯亂，當(dāng)數(shù)據(jù)中有丟失時或者錯誤時，會丟棄數(shù)據(jù)包。高階數(shù)據(jù)流會增加數(shù)據(jù)版本信息、校驗位，版本信息可以確定數(shù)據(jù)的位數(shù)和讀取格式，校驗位則是確定數(shù)據(jù)的正確性。具體如下。包頭版本信息（數(shù)據(jù)）校驗位包尾1字節(jié)|2字節(jié)|x字節(jié)|1字節(jié)|1字節(jié)軟件通過中斷獲取數(shù)據(jù)包，接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)提取出來，以供后續(xù)使用。PWM舵機控制PWM（PulseWidthModulation）是脈寬調(diào)制縮寫，它是通過對一系列脈沖的寬度來進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼，也就是說通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電壓、轉(zhuǎn)速的變化，占空比是指在一個周期內(nèi)，一個信號處于高電平的時間相對于整個信號周期的百分比。舵機就是利用PWM的占空比來控制的，所有的舵機都遵循一個標(biāo)準(zhǔn)，那就是周期20ms，最大高電平時間2.5ms，最小高電平時間為0.5ms。雖然占空比在理論上可以分為無數(shù)份，但舵機都有其精度，一般舵機精度可以達(dá)到1度，高精度的舵機可以達(dá)到0.1度。2.2.3無人機控制算法控制算法已經(jīng)發(fā)展了幾十年，從流量控制到機械控制，到處都離不開控制算法。最常見也是較為普遍的算法是PID算法，如今控制算法已經(jīng)發(fā)展的比較成熟了，但是幾乎所有的算法都是在PID算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的。PID是比例（proportion）控制和積分、微分控制（integer和differential），如圖其中比例控制是直接利用誤差的來控制的，積分是把每次誤差進(jìn)行積分，微分則是對兩次誤差做差。PID算法的特點在于P是必不可少的，I是用來消除靜態(tài)誤差的，D的作用是提前控制增加系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。PID算法使用的主要難點在于參數(shù)調(diào)節(jié)，在開始調(diào)參時一般只設(shè)置P和I這兩個量，調(diào)參其實就是修改各個量的系數(shù)。選擇參數(shù)一般會比較保守，有條件的對需要控制的系統(tǒng)建立物理模型反向推演最優(yōu)理論參數(shù)，值得一提的是D這個參數(shù)可以不使用（微分調(diào)節(jié)對于噪音特別敏感，并且很難適用對于有點滯后的控制）。對于各種各樣不同的復(fù)雜且難以預(yù)測的控制場景，最優(yōu)算法也會有點差異，下面對于兩種經(jīng)典的控制進(jìn)行討論。圖2.6PID控制理想波形溫度控制：當(dāng)需要精確溫度控制時，需要考慮到系統(tǒng)溫度流失速度和裝置加熱后能量滯后情況。開始可以測試溫度加熱的滯后情況，溫度傳遞相對比較容易建模，記錄系統(tǒng)完全隔絕環(huán)境時的狀態(tài)（理想隔熱情況，可以通過記錄靜態(tài)損失值來修正參數(shù)）了解加熱系統(tǒng)相對熱容值。在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮到加熱裝置和被加熱物體的性質(zhì)可能會改變，這時就需要一種可以適應(yīng)變化的最優(yōu)算法。無人機控制：無人機控制是較為經(jīng)典的多級控制案例，一般的對于此類控制會根據(jù)控制的模式切換PID控制環(huán)。當(dāng)無人機僅僅需要保持穩(wěn)定姿態(tài)時，需要雙級PID，最外部環(huán)是角度環(huán)，內(nèi)部環(huán)是角速度環(huán)，外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入。感性的理解是，角度環(huán)計算出達(dá)到預(yù)定位置所需的角速度，角速度環(huán)計算出達(dá)到預(yù)定角速度所需的電機轉(zhuǎn)速（PWM）。在控制過程一般認(rèn)為有兩種相對的狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)（隨著人工智能的發(fā)展，會有些不穩(wěn)定狀態(tài)可以被建模反演成為另一種新式的穩(wěn)定狀態(tài)，例如航天器再入大氣時），在穩(wěn)定狀態(tài)（符合某種變化規(guī)律）下，系統(tǒng)會使用已經(jīng)建模的方程或者公式進(jìn)行主要控制，可以取代P，因為外界難免會有微弱干擾，所以在系統(tǒng)數(shù)值靠近目標(biāo)值時，一般的模型已經(jīng)不太適用，這時再去使用適應(yīng)后PID。2.3四軸無人機硬件系統(tǒng)2.3.1微處理器在嵌入式領(lǐng)域，大部分使用的控制器都是單片機（MCU/SCM）,單片機相當(dāng)于一臺微型計算機，所以它也可以稱為微處理器。在單片機發(fā)展之初，主要是8位單片機以51單片機為代表，現(xiàn)在我們使用的控制芯片都達(dá)到了16、32甚至是64位。單片機的運行架構(gòu)大致有兩種（哈佛和馮諾依曼結(jié)構(gòu)），他們的區(qū)別在于哈佛結(jié)構(gòu)是將數(shù)據(jù)和指令分別存取而馮諾依曼結(jié)構(gòu)是將指令和數(shù)據(jù)存儲在一起。單片機中主要包含存儲器、寄存器、運算器、CPU、I/O設(shè)備和其他外設(shè)，如今芯片的制程越來越小，CPU的位數(shù)越來越大，單片機已經(jīng)可以應(yīng)對大部分場合了。圖2.7STM32最小系統(tǒng)本次設(shè)計使用STM32F103RCT6-32位MCU，它包含了IIC、SPI、ADC、定時器等資源，其性價比較高且技術(shù)成熟。內(nèi)存大小為48kb，滿足程序的大小要求，所以選擇此芯片。2.3.2硬件模塊一、主要模塊（1）定位模塊：在幾年前，定位使用的模塊還只是GPS，如今，中國有了自己的導(dǎo)航系統(tǒng)BPS（北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)），我們在設(shè)計定位模塊時會將兩種定位模塊相互融合。采用數(shù)據(jù)互補的方式，將兩款系統(tǒng)有機組合加權(quán)平均以提高定位精度。定位系統(tǒng)可以提供的數(shù)據(jù)有四個維度，其中包括空間的三個維度和時間這一維度。每個衛(wèi)星在某一時刻的位置為已知量，他們可以通過地面基站定期修正軌道數(shù)據(jù)（由于衛(wèi)星在地球軌道上運行，其速度特別快，此時相對論對于整個系統(tǒng)的影響已不可忽略），每顆衛(wèi)星會將自己在某一時刻的位置和時間廣播出去。用戶接受到多個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)后可通過方程計算出自己的位置，因為用戶端沒有高精度時鐘，所以至少需要四顆衛(wèi)星才能計算出精確位置。而在現(xiàn)實應(yīng)用場景中往往可以搜索到四顆以上的衛(wèi)星，這時，可以通過計算機算法擬合多方數(shù)據(jù)，對虛擬的坐標(biāo)點進(jìn)行中值計算推導(dǎo)出物理位置。如果在終端機附近存在衛(wèi)星定位基準(zhǔn)站，還可以利用其提供的修正數(shù)據(jù)將定位精度從一百多米提高至五米以內(nèi)。圖2.8GPS模塊實物圖（2）六軸陀螺儀：這基本上算無人機身上最核心的傳感器，其實在這個世紀(jì)初都沒有出現(xiàn)小巧合適安裝在小型無人機上的電子陀螺儀，在實用且性價比高的電子陀螺儀出現(xiàn)后，多旋翼無人機真正得到了蓬勃發(fā)展。電子陀螺儀大致有這幾種：微機械電子陀螺儀、光纖環(huán)形陀螺儀、激光反射陀螺儀，微機械陀螺儀是通過測量一個微小震動塊所受到的切向力來判斷旋轉(zhuǎn)速度的，光纖陀螺儀和激光陀螺儀則是利用了兩束光在不同旋轉(zhuǎn)條件下到達(dá)目標(biāo)時間有差異的原理（相對論）。電子陀螺儀通常不會單獨存在，由于對于角速率的積分會有一定的誤差（零漂），所以在有重力的條件下，加速度計也是必不可少的。（3）磁力計：在一些飛行姿態(tài)傳感器上只有加速度計和陀螺儀，磁力計需要單獨外接，此類成為六軸陀螺儀，如果再加上磁力計，就可以構(gòu)成九軸。他通過探測地球磁場在各方向的強度，了解無人機的方向，但容易受到干擾，他需要加速度計和陀螺儀的積分修正動態(tài)數(shù)據(jù)。圖2.9MPU6050原理圖(集合磁力計和六軸陀螺儀)（4）超聲波：超聲波傳感器主要用于避障，聲波在空氣中傳播速度較慢，探測距離一般都會控制在一定范圍以內(nèi)。超聲波傳感器會間歇性的發(fā)出聲波（脈沖），通過測量聲波回傳的時間可以判斷出物體的距離，也可以測量回傳波的頻率從而知道物體的相對速度。圖2.10超聲波模塊（5）無線通信模塊：民用的無線通信設(shè)備有藍(lán)牙、紅外、WIFI、ZIGBEE，其中藍(lán)牙 （2.402G-2.480G）、WIFI、ZIGBEE都屬于2.4G（2.400GHz-2.4835GHz）,只不過使用了不同的通信協(xié)議。如今，智能家居興起，這些無線通信應(yīng)用也得到普遍使用，他們各有優(yōu)點但是都無法完全取代彼此的位置。藍(lán)牙模塊適用于超短距離信息傳遞；WIFI是屬于一種網(wǎng)絡(luò)無線通信連接；zigbee是短距離組網(wǎng)通信模塊。SI24R1是一種用于遠(yuǎn)程控制的典型2.4G無線傳輸模塊，在硬件設(shè)計的過程中需要考慮天線阻抗，一般為幾歐姆，采用s型走線增加電阻。圖2.11SI24R1原理圖其他模塊視覺定位：最常見的視覺定位模塊是光流計，光流計是通過識別相鄰圖像幀中各個特征點的位移來判斷移動距離，其適用場景局限于低空飛行，通常在低空飛行時會配合超聲波進(jìn)行高度和位置的定位。圖2.12光流計模塊（7）BMP280氣壓計：采用IIC通信，讀取氣壓值，精度為1m。圖2.13BMP280氣壓計原理圖（8）flash存儲：采用SPI通信，容量16/8Mbyte,共32個塊，每個塊有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4Kbyte。圖2.14WX25X16存儲芯片原理圖（9）電源管理：662k穩(wěn)壓芯片（5v/3.3v穩(wěn)壓），BL830降壓芯片。圖2.15662K穩(wěn)壓芯片圖2.16BL8530升壓芯片2.3.3PCB設(shè)計PCB設(shè)計大致分為七大步：（1）原理圖和庫的準(zhǔn)備第一階段就基本確定了后面工作的內(nèi)容，確定好原理圖，才可以開始設(shè)計PCB。一般情況下，原理圖的元件庫和PCB庫是同時設(shè)計的，防止遺漏，并且需要創(chuàng)建工程專屬的庫文件，方便移植。（2）PCB基本結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計好原理圖后，就需要設(shè)計PCB的板外形了，一般需要與結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，確定好每個地方的尺寸，同時需要考慮元件的大小。（3）PCB布局設(shè)計在結(jié)構(gòu)確定的時候也會確定一些關(guān)鍵元件的位置，這些事設(shè)計的基礎(chǔ)，基本不會改變。此時需要做的工作，是為了之后的布線工作能進(jìn)行的更加順利，模塊的位置一般是整體確定的，確保連線能夠最短，同時也要做一些取舍。在確保電氣特性的前提下讓元件位置擺放的更加整齊。（4）PCB布線設(shè)計一般情況下，元件擺放合理，布線也會很順利。先去布主要的線，再去布次要的線，確定好各個區(qū)域的布線規(guī)則，劃分明確。布線的同時可以順便調(diào)整線寬，讓電氣特性拉滿。在布線完成之前，各個區(qū)域都會有聯(lián)動，調(diào)整甚至?xí)?lián)動到原理圖和元件封裝哪里。最后記得淚滴和覆銅。（5）布線優(yōu)化及絲印擺放布線完成后，如果有方案的修改，需要去相應(yīng)的調(diào)整。然后就是擺放絲印，這是為了方便之后元件的焊接和連線。畢竟后面還有很多測試的工作，提示是很重要的部分，能夠大幅提高調(diào)試的效率。（6）網(wǎng)絡(luò)DRC校驗及結(jié)構(gòu)檢查質(zhì)量控制是PCB設(shè)計流程的重要組成部分，原理圖和結(jié)構(gòu)要素圖是最基本的設(shè)計要求，網(wǎng)絡(luò)DRC檢查和結(jié)構(gòu)檢查就是分別確認(rèn)PCB設(shè)計滿足原理圖網(wǎng)表和結(jié)構(gòu)要素圖兩項輸入條件。一般電路板設(shè)計師都會有自己積累的設(shè)計質(zhì)量檢查Checklist。（7）PCB制板在PCB正式加工制板之前，電路板設(shè)計師需要與PCB甲供板廠的PE進(jìn)行溝通，答復(fù)廠家關(guān)于PCB板加工的確認(rèn)問題。這其中包括但不限于：PCB板材型號的選擇、線路層線寬線距的調(diào)整、阻抗控制的調(diào)整、PCB層疊厚度的調(diào)整、表面處理加工工藝、孔徑公差控制與交付標(biāo)準(zhǔn)等。如果需要機器焊接的話還需要BOM表。2.4掛載系統(tǒng)設(shè)計野外救援涉及范圍廣泛，包括人員搜救、森林滅火、高壓線路清障。由于無人機具備野外救援屬性，其應(yīng)用場景還可以拓展到戰(zhàn)場偵察、遙感測繪、運輸貨物、植保,多功能也是此類無人機的重要特性，設(shè)計好無人機的接口才能實現(xiàn)一機多用。此小節(jié)是對掛載系統(tǒng)的討論，并沒有進(jìn)行深入的研究。圖2.17投放物資2.4.1硬件設(shè)計機用掛載的設(shè)計思路有兩種，第一種是直接將可能需要的機械設(shè)備直接整合入無人機整體，第二種則是設(shè)計好接口和通信協(xié)議，通過判斷接入設(shè)備的種類來輸出不同的控制信號。在這款無人機的設(shè)計思想中，云臺攝像機也被納入掛載系統(tǒng)中。那些可能需要用到的掛載設(shè)備可以獨立于無人機來設(shè)計，這樣也減輕了主控系統(tǒng)的控制壓力，事實上大部分設(shè)備都有這樣的特性，這是類似于昆蟲的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（昆蟲的軀體可以由肢體神經(jīng)來獨立控制）。野外救援無人機所需的掛載系統(tǒng)包括抓持設(shè)備、噴射吸取設(shè)備、機械臂、投放設(shè)備、旋轉(zhuǎn)設(shè)備、額外智能設(shè)備（聲吶、攝像頭、激光測距、應(yīng)急設(shè)備）、照明設(shè)備、廣播設(shè)備、通信設(shè)備等。對于機械設(shè)備可以用控制端全權(quán)控制而無需經(jīng)過CPU的信息處理，而對于相對復(fù)雜的其他設(shè)備最好的設(shè)計方案是利用主系統(tǒng)接口接收信息。圖2.18無人機掛載攝像頭2.4.2軟件設(shè)計由于需要控制的外部設(shè)備和外部器件的增多，原有的協(xié)議字節(jié)數(shù)可能會不夠用，為了提高通信效率，需要重新設(shè)計協(xié)議。在控制端會設(shè)有控制設(shè)備的各種模式，在對應(yīng)模式下通信協(xié)議的設(shè)置字節(jié)數(shù)會在信息頭部聲明，為了使控制更穩(wěn)定，長字節(jié)的通信會設(shè)有校驗碼，無人機的擴(kuò)展性是在設(shè)計初一直在追求的東西，系統(tǒng)的可修改性必須同步提高，此系統(tǒng)未來會將可能用到的控制功能全部設(shè)計成編程模塊。2.5本章小結(jié)本章介紹的系統(tǒng)是基于自主設(shè)計的mini無人機，設(shè)計的硬件和軟件部分和pix飛控都是兼容的。3無人機系統(tǒng)的可靠性3.1信號通信中繼一般無人機發(fā)射接收端都會集合功率放大模塊以提高通信距離，雙模通信和數(shù)字圖傳也是主流的解決方案。但這些方案僅適用于信號無遮擋的場景，想在信號盲區(qū)里操作無人機唯一的解決方案就是增加中繼節(jié)點，也就是中繼通信。通信中繼在我們生活中必不可少且隨處可見，電話轉(zhuǎn)接、接電話、上網(wǎng)路由器、衛(wèi)星通信等等，通信中繼不僅僅是把信號放大，如果是那樣的話一個簡單的信號放大發(fā)射電路就可以作為中繼器。通信中繼是把有用的信號提取出來再發(fā)射出去，這需要用到編碼技術(shù)，同時電磁波在傳播過程中會有多徑效應(yīng)。首先是編碼技術(shù)，這借鑒自以太網(wǎng)通信協(xié)議，無線通信的可靠性不如有線通信，所以硬件和軟件的處理會更復(fù)雜。在多節(jié)點通信中，會出現(xiàn)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)覆蓋重合，無人機如何選擇網(wǎng)絡(luò)成為一個問題，這時編碼顯得特別重要。通信基站實時獲取無人機的物理位置，從而決定那個節(jié)點為終止節(jié)點，并且為了防止前置節(jié)點的干擾，節(jié)點之間的通信跟節(jié)點到終端的通信協(xié)議會區(qū)分開。多徑效應(yīng)其實是電磁波在傳播過程中遇到障礙物反射的后果，反射后的波與主波相疊加就可能導(dǎo)致信號失真，最壞的情況是反射的波與主波相位剛好差半個周期，那兩股波相互疊加就會抵消掉?？梢酝ㄟ^提高硬件的信號放大功能并設(shè)置多天線，利用信號多方向強度不同的特性，整合抵消多徑效應(yīng)的影響。在軟件上利用現(xiàn)代濾波，結(jié)合人工智能擬合出最佳波形。3.2硬件冗余設(shè)計無人機在工作時會遇到各種突發(fā)狀況傳感器失靈、主控掉電、電機失效、螺旋槳損壞等，這些都可能導(dǎo)致無人機墜毀。這種問題尤為復(fù)雜，通常的解決辦法有關(guān)鍵傳感器冗余、增加副主控、雙電機設(shè)計。3.2.1傳感器冗余無人機上重要的傳感器有氣壓計、電子陀螺儀、全球?qū)Ш侥K，其中要屬電子陀螺儀最為重要，如果陀螺儀損壞，無人機將無法維持最基本的姿態(tài)，所以首先需要添加的就是電子陀螺儀。我們當(dāng)前使用的陀螺儀主要是通過I2C與單片機通信，而I2C協(xié)議允許總線上同時存在最多2^7-1個從機設(shè)備，這為傳感器冗余設(shè)計提供了便利，我們可以用最少的I/O口完成傳感器的切換。但考慮到傳感器失聯(lián)可能是因為I2C總線異常，所以硬件上最少需要設(shè)置兩組I2C總線，氣壓傳感器和電子羅盤剛好都有I2C通信的產(chǎn)品，我們只剛好只需要設(shè)置兩套傳感器。3.2.2MCU冗余在無人機的傳感器比較多的時候，一般會采用雙MCU設(shè)計，一片MCU負(fù)責(zé)讀取一些需要循環(huán)交流的傳感器如電子陀螺儀、氣壓計、電子羅盤等，另外一片負(fù)責(zé)控制電機以及跟操作端無線通信，系統(tǒng)會根據(jù)需要選擇合適的任務(wù)MCU。所以MCU冗余分為主控芯片冗余和任務(wù)芯片冗余，主控芯片可以通過單個串口與多個任務(wù)芯片交流，只需要設(shè)置好通信協(xié)議，備用主控芯片可以與運行的芯片很好的配合，甚至可以分擔(dān)一部分運算工作?？紤]到耗電問題，冗余器件的啟動會用到喚醒中斷，在同一時刻只要保證有一片MCU工作正常，無人機都可以正常工作。3.2.3電源供電冗余硬件冗余設(shè)計的最后一關(guān)就是設(shè)置多電源，在系統(tǒng)設(shè)計時電機供電和芯片供電是獨立開的，而傳感器和控制芯片也會通過電源分配芯片獨立開，這樣可以保證各個系統(tǒng)之間都獨立運行不會互相干擾。電池在設(shè)計時并不是直接設(shè)計成一大塊，大部分電池都是好幾個電池組和在一起的，我們使用兩塊電池供電時，需要獨立的監(jiān)控單個電池的電壓并分配電量，防止單個電池放電過度。而有電池?fù)p壞后，就不能分配電池電壓了，因為損壞的電池可能會將系統(tǒng)的電壓分擔(dān)走，這時需要切斷損壞電源與系統(tǒng)的聯(lián)系。3.3軟件可靠性3.3.1多任務(wù)運行程序設(shè)計時會把各個任務(wù)區(qū)分開，因為各個任務(wù)的運行節(jié)奏不同，但任務(wù)大體上可分為中斷任務(wù)和主任務(wù)。主任務(wù)利用定時器計時，劃分開各個任務(wù)運行頻率。在主控制芯片和傳感器通信時，CPU會被全部占用，所以在程序設(shè)計是會大量使用DMA直接存儲訪問。DMA可以將外設(shè)和內(nèi)存空間里的數(shù)據(jù)相互傳輸而不需要CPU的參與，但是DMA無法直接連接外設(shè)和外設(shè)的通道。有了DMA的參與，程序運行變得更高效，比如在讀取ADC數(shù)據(jù)時，CPU能把PID給計算好，或者去響應(yīng)一個中斷。中斷函數(shù)分為異常中斷和任務(wù)中斷，在普通的任務(wù)中斷中，CPU會放下手頭的事去響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)。在本系統(tǒng)中，主要的任務(wù)中斷是接收控制端的信息，然而中斷往往會打亂系統(tǒng)運行的節(jié)奏，雖然我們可以把他的影響降到最低，但是將主程序的運行契合任務(wù)中斷可以避免一些不必要的擾動。雖然控制端發(fā)射信號有一個固定頻率，但我們無法完全同步兩端的節(jié)奏，所以定時器需要實時配置，通過PID算法將任務(wù)運行頻率控制在一定范圍內(nèi)。3.3.2異常處理硬件采用了冗余設(shè)計后，軟件必須能實時發(fā)現(xiàn)問題，這個系統(tǒng)才能真正的更穩(wěn)定的運行下去。首先現(xiàn)在無人機的大部分墜毀原因都是因為信號的異常，本節(jié)不討論無人機失去動力后的處理方式。如今消費級的無人機大部分都有三種飛行模式，姿態(tài)模式、功能模式和定位模式。在姿態(tài)模式下，無人機不參考定位模塊的數(shù)據(jù)，無人機只依靠傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)穩(wěn)定飛行；無人機的功能模式需要依靠智能設(shè)備的幫助，完成一系列復(fù)雜的飛行任務(wù)；定位模式，顧名思義，定位能力增強，通過定位模塊的數(shù)據(jù)完成室外定點長時間懸停，也可以借助視覺定位模塊完成低空或者空間懸停。軟件讀取傳感器時會進(jìn)行判斷，各個傳感器會存在有效數(shù)據(jù)重疊，這可以用來提高數(shù)據(jù)精度也可以用來判斷傳感器是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。在某一傳感器失聯(lián)或者數(shù)據(jù)明顯不正常時，程序通過通信總線激活備用芯片，如果沒有備用芯片，程序通過判斷異常等級來做出下一步動作。當(dāng)陀螺儀損壞時，無人機將啟動防墜毀系統(tǒng)，而其他傳感器失效時，無人機發(fā)出警告，啟動自主返航或者下降等操作。主控芯片的異常無法直接檢測到，只有通過備用芯片的響應(yīng)或是芯片實時檢測系統(tǒng)的參與才能發(fā)現(xiàn)異常。無人機在接收到控制端的信號后實時發(fā)出響應(yīng)（稱之為信號控制反饋），主控芯片在接收到信號后會給備用芯片發(fā)送標(biāo)志，代表著運行正常。而當(dāng)備用芯片檢測到回饋信號時卻遲遲得不到主控的響應(yīng)，會嘗試與主控聯(lián)絡(luò)，如果主控一直處于零響應(yīng)狀態(tài)，則系統(tǒng)由輔助芯片接管，并向總線廣播接管信息，這種情況適用于備用芯片處于激活狀態(tài)。無人機主控芯片失效的主要后果有電機全部異常停轉(zhuǎn)（可由加速度計間接檢測到）、通信總線I2C、SPI等全部被釋放、傳感器數(shù)據(jù)無法更新或無線通信終止。在系統(tǒng)設(shè)計之初可以根據(jù)無人機的安全等級設(shè)置不同的應(yīng)對方式，可以采用中斷激活和安全檢測系統(tǒng)兩種主要的方式，其中中斷激活的方式可以不添加額外的響應(yīng)芯片。3.4防墜毀設(shè)計當(dāng)無人機處于不可逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)時，防墜毀系統(tǒng)會被激活。防墜毀系統(tǒng)可由芯片實時監(jiān)測系統(tǒng)擔(dān)任，也可以融入無人機懸掛系統(tǒng)中去（因為無人機懸掛系統(tǒng)可以提供非螺旋槳電機外的機械動作）。墜毀預(yù)警的激發(fā)條件有重要傳感器完全失靈、重要螺旋槳電機停轉(zhuǎn)、螺旋槳斷裂、全部控制芯片失效、主要電源斷供等緊急情況，接下來討論如何檢測各個模塊的情況。傳感器在每次啟動時都需要進(jìn)行自檢，傳感器自檢失敗時會嘗試切換傳感器，但在單個傳感器失效時，系統(tǒng)會發(fā)出警告，這種情況下是不建議起飛的，應(yīng)該及時檢查或者更換傳感器。而無人機完成系統(tǒng)自檢起飛過后，傳感器的數(shù)據(jù)會定時被主控芯片收集，如果數(shù)據(jù)無法收集到或是數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常，系統(tǒng)可是及時發(fā)現(xiàn)。無人機的動力來源是有刷電機或是無刷電機，當(dāng)所有控制器和傳感器都處于正常工作狀態(tài)時，無人機的飛行狀態(tài)異常可能是源于無人機單邊或多邊的動力缺失。在系統(tǒng)設(shè)計時會設(shè)置一個防墜毀系統(tǒng)，這個系統(tǒng)會獨立于主系統(tǒng)，并采用獨立電源供電。主控芯片會使用類似于看門狗的SYSTICK方式向此系統(tǒng)發(fā)送運行正常的標(biāo)識，控制芯片的失效和主要電源斷供都會導(dǎo)致標(biāo)識無法發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)處于不可逆轉(zhuǎn)的墜毀預(yù)警狀態(tài)時，防墜毀系統(tǒng)將被觸發(fā)。系統(tǒng)會接管整架無人機，首先會切斷無人機的動力來源，失衡的無人機動力系統(tǒng)只會讓事情變得更糟糕。安裝了防墜毀系統(tǒng)的無人機會彈出設(shè)置在起落架附近的安全氣囊，起落架也會被轉(zhuǎn)換為減震模式。而防墜毀最重要的條件就是保證無人機觸地面為緩沖面，由于無人機頂端有螺旋槳，無法設(shè)置安全氣囊（疊氮化鈉），所以無人機需要配備一種裝置可以使無人機觸地后最大可能的使起落架朝下。一種可能的設(shè)計是在無人機頂部配置伸縮導(dǎo)管，無人機啟動墜毀預(yù)警時，先彈出導(dǎo)管，再從導(dǎo)管中彈出減速傘或是阻力氣囊，這樣無人機不僅可以減小下降的速度并且可以確保起落架朝下。如果無人機使用的是涵道發(fā)動機，就不需要設(shè)計彈出式導(dǎo)管。3.5本章小結(jié)本章討論的內(nèi)容主要是關(guān)于無人機飛行器改進(jìn)的設(shè)想，軟件部分的設(shè)想已經(jīng)實現(xiàn)，硬件部分尚未完成，后續(xù)會嘗試將理論推向?qū)嵺`。4系統(tǒng)測試和總結(jié)4.1無人機最終設(shè)計最終測試的實物是基于pix飛控的四軸無人機。無人機自主設(shè)計的關(guān)鍵點在于最開始設(shè)計者必須確定好無人機的基本參數(shù)，確定參數(shù)的第一步從選擇機架開始，機架的型號有330、450，機架的臂展有35CM。確定好無人機機架的基本大小后，可以開始規(guī)劃無人機攜帶的基本設(shè)備了（GPS、云臺攝像頭、機械爪、超聲波、光流計等），然后根據(jù)自己的需要選擇合適的航模電池，至此無人機的雛形基本確定。一般情況下，除微小型無人機外，微型和中型多旋翼無人機使用的電機一般為無刷電機并配有電調(diào)。電機的型號多樣，但在同一規(guī)格區(qū)間內(nèi)電機的質(zhì)量不會有太大的出入，所以在確定好無人機的雛型后，無人機的重量基本確定，大約在1KG-2KG左右。這時可以開始電機選型了，無人機的最大總重量*125%就是電機所需的最小總推力，預(yù)留的25%推力需要用在無人機傾斜、旋轉(zhuǎn)、上升等機動動作上，電機預(yù)留的推力越多，無人機的載重和抗風(fēng)能力越強，同時推力過剩也會造成無人機能效(有效質(zhì)量比)低下。在最終設(shè)計中，還加入了投放系統(tǒng)，使用第八通道控制投放裝置，投放的物品配有降落傘，防止對地面上的人或物造成損傷。同時為無人機裝配起落架，為下方的投放裝置預(yù)留足夠的空間。無人機也配有防撞護(hù)罩和電機緊急關(guān)閉按鈕，確保了無人機的安全性。本次設(shè)計的野外救援無人機的功能包括但不限于航拍、航點規(guī)劃、自動返航、自動投放。圖4.1無人機實物4.2場景模擬和測試4.2.1無人機的調(diào)試聲明：在無人機的測試階段，本人對無人機的所有操作均符合相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定，無人機也已經(jīng)實名登記過。參考：/login。無人機飛行時具有一定的危險性，在測試過程中，需要避開人群，并給無人機安裝防護(hù)罩。學(xué)校中人比較多，測試無人機只能選擇操場，測試時間選在上午或者晚上10點10以后。無人機未做防水處理，應(yīng)該避免在下雨天或者水邊測試無人機。由于準(zhǔn)備工作充分，測試階段未出現(xiàn)危險情況。圖4.2V5數(shù)傳模塊測試中利用3DRRadioV5數(shù)傳模塊傳輸無人機狀態(tài)信息，利用電腦接收數(shù)據(jù)，遙控器手動控制無人機的飛行。野外救援無人機的主要功能是搜索和投放，測試的主要目標(biāo)是確定當(dāng)前飛行器可以完成的任務(wù)以及測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，無人機的主要功能全部完成，但一些功能由于技術(shù)和資金限制，暫時無法完成。下面兩個表格是無人機測試的情況。表4.1無人機功能測試測試項目測試情況GPS無法搜索無人機自檢完成航點飛行未完成起飛懸停完成自動返航未完成視頻回傳未完成數(shù)據(jù)回傳完成投放物品完成遙控器信號中斷測試原地降落圖4.2無人機試飛表4.2調(diào)試中的問題問題解決情況遙控器不適配選擇正確的接收機，將遙控器模式調(diào)整為四軸飛行器飛控?zé)o法解鎖校準(zhǔn)傳感器、校準(zhǔn)遙控器通道和量程、檢查無人機和接收機的連接電機不轉(zhuǎn)重新初始化電調(diào)、檢查電機供電、檢查電調(diào)和電機是否損壞遙控器搜索不到信號重新配對接收機和遙控器的頻道電機轉(zhuǎn)向錯誤交換任意電調(diào)連接電機的兩根線無人機起飛后翻倒檢查飛控和電機連接的順序無人機起飛后自轉(zhuǎn)檢查電機的安裝順序、重新校準(zhǔn)加速度計切換飛機朝向無人機控制舵反向修改無人機代碼參數(shù)，反轉(zhuǎn)對應(yīng)參數(shù)4.2.2測試數(shù)據(jù)由于無人機的攝像頭損壞無法連接上位機，所以無人機無法進(jìn)行超視距飛行，所有測試的功能基于手動操作，無人機的質(zhì)量（加防護(hù)圈不加拋擲物）約為1536g，拋擲物的質(zhì)量約為59g，測試數(shù)據(jù)如下。注：投放口由舵機控制。圖4.3投放器表4.3無人機投放測試次數(shù)測試情況1高度：13m；偏移距離：5m2高度：11m；偏移距離：14m3高度：8m；偏移距離：2m4高度：25m；偏移距離：7m5高度：20m；偏移距離：13m6高度：40m；偏移距離：27m表4.4無人機定點降落測試次數(shù)測試情況1偏移距離：1.3m2偏移距離：0.6m3偏移距離：0.6m表4.5無人機定高測試次數(shù)測試情況1高度：10-11；保持時間：4s；不攜帶拋擲物2高度：10-11；保持時間：8s不攜帶拋擲物3高度：20-21；保持時間：3s不攜帶拋擲物4高度：20-21；保持時間：2s不攜帶拋擲物5高度：10-11；保持時間：2s；攜帶拋擲物6高度：10-11；保持時間：3s攜帶拋擲物7高度：20-21；保持時間：1s攜帶拋擲物8高度：20-2