一种四旋翼无人机的设计及应用

陈进稳， 蒋 超，李 雷， 陈友鹏

(广州南洋理工职业学院 ， 广州 510925)

0 引言

1914年，英国的卡德尔和皮切尔两位将军向英国军事航空学会提出了一项建议——研制一种不用人驾驶的无人飞机奇袭敌后，投掷炸弹[1]。1927年，由A.M.洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机成功试飞，在当时引起巨大震动[2]。近几年，受需求拉动和局部战争中无人机卓越表现的激励，对无人机的研发空前重视，无人机技术已成为未来科学研究最重要的一个环节。随着无人机技术的发展，特别是多旋翼无人机兼具价格低廉、结构简单、自由悬停的优势，成为消费领域和商用领域的热门[3]。

1 一种四旋翼无人机的设计

无人机机身上面的支架称之为旋翼，所谓多旋翼，就是多种支架组成，如四旋翼无人机就是拥有四个支架的无人机。多旋翼无人机在设计上遵循实用性、艺术性和创新性三个特点[4]。实用性指的是该四旋翼必须有价值，能实现飞起来的要求。艺术性指的是设计上遵循美学特点，美观，大方。创新性指的是该四旋翼无人机有一点创新，不拘泥且洒脱。遵循以上三个原则，如图1所示，一种四旋翼无人机的设计方案最终得以成功试飞，体现了实用性。圆和方的组合，体现了简约和大方的艺术美感。从外观到选材，每一个模块的选择和安装完全是原创设计，体现了创新性的设计理念。此四旋翼无人机采取了极简主义设计理念，大胆追求简单而不空洞，抛弃花哨的元素，绝不拖泥带水，只求返璞归真。

图1 广州南洋理工职业学院四旋翼无人机Fig.1 Quadrotor UAV of Guangzhou Nanyang Polytechnic College

2 四旋翼无人机系统的组成要素

该四旋翼无人机是可以自主飞行的飞行器，系统主要由机架机身、动力系统、飞行控制系统、遥控系统、辅助设备系统五部分组成，各个部分组成要素如下：

A.机架机身采用铝合金和树脂材料。四个旋翼分别由四个镂空的大圆环组成，四个圆环的尺寸和高度一模一样，并且均匀安装在四个边角上，使得整体上保持平衡，利于飞行。

B.动力系统完全由四个锂电池来提供能量。由于无人机自重太大不利于飞行，所以通常锂电池不敢做得太大。该设计锂电池重量为500 g,完全充满需要耗时1 h，充满后可以为无人机提供0.5 h的飞行动力。

C.飞控系统指的是无人机的飞行控制系统[5]。本设计采用开源软件APM：Copter V3.5.7。飞控软件全程监控无人机飞行过程，可以通过事先在电脑上规划的运动路线让无人机智能地按照电脑上规划好的运动路线进行飞行，配合Gps定位系统、主控芯片及其他传感器，以保障整个无人机飞行过程中定位与导航。

D.遥控系统是无人机中用于遥控的设备。除了按照规划的路程让无人机自由自主飞行以外，本无人机上安装有红外线接收器，可以人工手持红外线发射器对本无人机的飞行过程进行遥控，手动下达飞行命令。

E.辅助设备系统是无人机核心设备以外的其他设备。本无人机在四个不同的角度安装有四个超声波避障器，可以实现360°避障。该四旋翼无人机后续将安装相机和图像传输设备，实现航拍用途。

3 四旋翼无人机的用途

本四旋翼无人机的主要用途是为了满足教学教研需要。本次无人机设计过程中，很多学生参与进来，自主进行安装和试用，系统地学习了gps导航、光流等定位系统，使用APM：Copter V3.5.7进行,并且第一次理解无人机在高空中保持平衡的能力。该四旋翼无人机可以做到实现个人航拍需求，如果在无人机上安装好相机及摄影装置，即可根据需求拍摄出所需画面。此四旋翼无人机制作了样品并试飞成功。

4 无人机市场需求

无人机在诸多领域得到运用，如物流管理、军事领域等，市场十分庞大，未来前景无限，备受关注。

无人机航拍。2014年12月16日，一个叫做Dronestagr.am的网站收集并展示了很多无人机拍摄的鸟瞰图，能从不同的角度看到世界上的人物与景物，这个网站评选出一组2014年度最佳无人机航拍照片[6]。

工程中经常使用无人机进行信息收集和运输。一份名为《全球无人机物流和运输市场》的报道预计，无人机物流运输市场将从2022年的112亿美元增长到2027年的290.6亿美元，在预测期内的复合年增长率为21.01%。据统计，2022年，商业领域将引领无人机物流和无人机运输市场，越来越多的无人机用于各种类型的应用，例如库存管理、库存跟踪、包裹递送、医疗用品和食品的递送交付等等，带来商业领域的增长[7]。

军事上，无人机可以用于侦察与作战。据报道，2019年某日，沙特国家石油公司(阿美石油公司)遭也门胡塞武装部队出动的10架无人机袭击。无人机袭击威力巨大，竟然致使沙特原油供应每日减少570万桶，约占沙特石油产量的50%，损失十分严重。

5 结语

设计了一种四旋翼无人机，设计上遵循了实用性、艺术性、创新性的要求，大胆采用极简主义设计理念，从机架机身、动力系统、飞行控制系统、遥控系统、辅助设备系统五部分描述了该设计的组成结构，制成成品，在操场试飞，获得了圆满成功。