一种微型折叠四轴飞行器的设计

李家伟 闻 凯 杨 帆 朱 朕

（南京航空航天大学金城学院，江苏 南京211156）

微型折叠四轴飞行器是一款由飞控系统、电机系统、搜索系统以及4 个螺旋桨组成的飞行器。其中，飞控系统相当于飞行器的控制大脑中枢，通过输出pwm波以此来实现对飞行器的控制[1]。舵机系统，通过改变舵量行程来变换机臂角度，已达到折叠的目的。电机系统，即飞行器的动力来源。搜索系统，由微型摄像头和图传组成，提供实时图像数据。螺旋桨，通过旋转为飞行器提供升力。通过整合上述各系统，来搭建微型折叠四轴飞行器。

1 折叠机构的设计

折叠四轴飞行器同普通四轴飞行器的设计原理相同，即通过四个电机配合螺旋桨旋转产生向下的力为飞行器提供升力[2]。但不同于普通四轴飞行器的固定机臂，微型折叠飞行器通过在机臂处增加舵机以达到旋转机臂的目的，如图1 所示。通过舵机改变舵量控制机臂角度，来达到减小尺寸，增加飞行效率的作用。通过舵机控制，微型折叠飞行器飞行档位分为折叠档位、快速档位、悬停档位以及普通档位，原理是通过机臂旋转调整飞机重心以达到飞行模式的转换和促进飞行品质的提升。

图1 飞行器旋转机构

2 飞控系统的设计

飞控需连接地面站来实现数据交换，一般通过数字电台来实现无线连接。其一般具有自动模式、手动模式、手动自动混合模式。其中第一种方式是飞行器起飞前，通过操作地面站将预先设置好的飞行方案写入飞控后自动起飞，通过飞控上的传感系统自行控制，按照预先设置好的飞行方案飞行；第二种方式则为地面驾驶员通过遥控发射器来控制飞行器；第三种方式一般为飞控未按照预先设置的飞行计划飞行，为确保飞行安全而采取一定的人工干预，多在飞控自动控制失效或地面人员误输入错误的参数下造成飞行计划失败的情况下使用。

微型折叠四轴飞行器的尺寸较小，相对于普通四轴飞行器容易受到天气的影响，其中风的因素对其影响最大，严重影响高度传感器和速度传感器的功能，故微型折叠四轴飞行器的高度传感器与速度传感器相较于普通四轴飞行器需通过不同的算法来克服这一不稳定因素。

2.1 高度算法

微型折叠四轴飞行器为了较为准确的得到高度信息则采用将各个参数通过差分方式计算来得到高度作为参考值。通过利用不同的差分方式来得到不同的高度信息数值。正常情况下通过抽成处理，气压传感器内部压力为0，高度发生改变，则气压发生改变，变化的气压差使内部传感器发生一定的形变，通过计算形变量来得到外界气压值，以此来得到飞行器目前的高度信息。未补偿温度因素的气压高度为

2.2 空速算法

空速通常所指为飞行器与气流的相对速度。空速数值需处于在一定的安全速度范围内，否则飞控可能因为失控而引发坠机事故。飞行器低速时气流为不可压气流，此时空速：

其中aH为当地音速、k 为绝热系数1.4。压差传感器通过获取静压和全压的压力差信息后计算可以得较为准确的空速值[3]。

3 动力系统的设计

电机选用F1103 kv4000 系列无刷电机BLDC，其具有质量轻、拉力大、效率高、低能耗、寿命长，对飞控系统干扰小等优势，是列微型折叠四轴飞行器的首选。一般BLDC 电机的转子在旋转时，通过在定子上镶嵌的霍尔传感器得到相应的电平信号，电平信号不同，则当前转子所受到的磁极不同。根据霍尔传感器不同的信号组合，就能决定电机换向的精确顺序。在实际情况中，气隙中由于空气电阻会造成一定的风阻损失。计算转矩时要留出20%的安全裕度。

转速范围需考虑气流对机体的升力影响以及机身载荷的变化范围，所以也需留有10% 的安全裕度。其中电机系统能量来源采用高密度锂电池。用开关电路判断电机是否导通。电调使用无刷式集成电调，既可根据飞控信号调节电机转速，也可减小飞行器的质量和体积，以便装备其他相应的传感器。

4 感知系统的设计

4.1 图像传输系统的设计

因为微型折叠飞行器抗风能力较弱，回传画面晃动明显，故图传系统需采用防抖算法来确保回传画面稳定。CMOS 摄像头模块采集视频，经由5.8GHz 频段实时传输至接收端，经过视频稳像去抖算法处理，获得稳定、清晰的回传画面。

4.2 防抖算法的设计

首先，利用角点检测算法提取角点，并使用已提取的角点计算两个连续帧之间的光流；接下来，用仿射变换模型，代入经光流计算后保留的角点，计算运动参数；随后，利用由卡尔曼和低通滤波器组成的混合滤波器平滑运动参数；最后，用平滑后的参数对帧做仿射或刚度变换，以获得稳定的视频帧序列[3]。

角点检测算法: 通过最小化定义如下的函数来计算两个连续帧之间像素点的运动。

其中，（px, py）表示第一帧图像P 上的像素点，（nx, ny）表示第二帧图像N 上的像素点，（vx, vy）表示在图像上的移动速度，(x,y)表示在对应帧图像上的像素坐标点。[3]

通过利用卡尔曼滤波除去高斯白噪声，再将获得的运动参数传入对高斯分布规律采样的低通滤波器，以除去高斯色噪声，获得平滑的运动参数。最后帧序列通过相应的矩阵排列得到稳定、去抖的图像画面。

4.3 声音回传系统的设计

因为微型折叠飞行器的旋翼在飞行过程中高速旋转，会产生空气动力噪声，对于声音回传系统会产生较大的噪音，不利于使用者对于实时现场声音的判断，需设计相应降噪算法以减弱空气动力噪声。

数字平均器能够有效恢复淹没在噪声中的周期信号的波形，用途广泛。一般情况下，可以将空气动力噪声视为正弦波并存在周期性，使用递推式平均算法

带有噪声的周期脉冲信号进行仿真：假设周期脉冲频率100Hz，脉冲波形为正弦波，脉冲峰值电平0.05V；噪声n 是高斯分布白噪声，均值为0，交流有效值为1V。使用MATLAB 软件进行仿真，分别仿真平均10 次、100 次、1000 次、10000 次的输出结果，并得出波形，如图2 所示。

图2 仿真运行结果

从模拟结果得知，随着平均次数越来越大，信号恢复得越来越好，噪声分量越来越小，信噪比得到不断的改善。与模拟取样平均相比，数字式平均需要使用A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，而模数转换需要时间，因此取样脉冲不宜做得很窄，所以数字式平均更加适用于低频以及中频信号的恢复；反之，取样积分的取样门可以做得很窄，因此模拟取样平均更加适用于高频信号的恢复。

在实际过程中，影响空气动力噪声的因素很多，且噪声波形也会产生骤变，此方法虽不能解决空气动力噪声，但通过此方法可以在一定情况下削弱空气动力噪声对于声音回传系统的干扰，对于后续相关算法的研究具有参考意义。

5 结论

本文主要介绍设计一款微型折叠四轴飞行器所需要的几个重要模块和方法，对折叠机构、飞控系统、动力系统、感知系统的原理和结构方案进行了阐述与研究，分析了实际过程中可能遇到的问题并提出了相应的解决方法，推导了和补充了相关计算公式，对实际设计与应用微型四轴飞行器具有较高的参考价值。