樹莓派+新型混合無人機

產品設計緣由

我去設計這個樹莓派+的一個產品,是因爲10月7日學校的創客訓練營的招新選拔,而選拔的題目是:
《使用樹莓派或Arduino進行創意設計》
請構思一個成本不超過200美元的電子產品,其中必須使用至少一個樹莓派或至少一個Arduino開發板。該產品應能發揮特定的功能,幫助特定的人羣,解決特定的問題。作品應不與已有產品雷同,例如簡單的手環鬧鐘和檯燈。作品應具符合大學生創新創業比賽。
而我的設計也就是下面的這個新型多功能混合無人機


產品設計

原件作用
1.樹莓派
樹莓派作爲小型卡式電腦起到接受信息後處理分析,並對其他原件起到控制作用的核心中樞,主要支持Python語言(因爲我對Python語言暫時不甚瞭解,所以這裏就不給出新型無人機的控制系統的源碼了,等日後瞭解Python後再經行完善)
2.GPS接收器
無人自動飛行裏一個很核心的問題是要解決我在哪裏,我要去哪裏的問題。其中就涉及到定位,這裏就採用韓老師在金課行動68節提到的車載GPS。
3.超聲波傳感器
在樹莓派的控制下可以識別放在周圍的障礙物,前後移動超聲波測距儀,將收集的信號傳輸回到數據處理中心,數據處理中心會顯示測得的距離,就可以實現飛行器的避障的功能。(同一,此處源碼日後完善)
4.電機及其槳葉
這裏可以直接使用四個9600轉每分鐘的電機1045型槳葉
百度了一下螺旋槳提供升力粗算公式:(槳)直徑螺距轉速的平方(rad/s)1個大氣壓力經驗係數(0.25)=拉力(公斤)
計算了一下4個電機可載重22.297公斤,但因爲加速飛行時僅有兩個電機載重再算上機重實際載重應該只有10公斤左右(200美元的限制真的對電機功率方面限制很大)
5.舵機
舵機是用來執行對樹莓派指令的,而在這個飛行器裏面起到放下前後兩電機(將四旋翼飛行器轉變爲固定翼飛行器),調節嵌入垂直尾翼擺動以控制固定翼飛行器飛行方向,這個需要4個(有兩個控制尾翼,兩個控制電機)
6.電池
用以滿足電機需求與增強續航能力
這個是手繪的一個簡易設計構想圖
(這個是手繪的一個簡易設計構想圖)在這裏插入圖片描述(四旋翼狀態)















工作過程:

當有所需求(物流、消防、巡邏監控等)時,先檢查飛行器,然後與計算機上設計好路線,再啓動飛行器,飛行器先會根據原先設計路線由四旋翼狀態上升到規定高度,在由樹莓派指令舵機放下固定翼式動力電機,轉化爲固定翼形態,可實現高速飛行,而到達目的地點再逆向轉變爲四旋翼狀態下降到指定高度經行作業。
**(固定翼形態)
(固定翼形態)
(注意:1.爲保持槳產生拉力平衡,對角槳轉向相反在轉換爲固定翼形態時,由樹莓派指令調整前後兩動力電機轉向一致
2.由於機面的前後不對稱性,在四旋翼式飛行前四電機轉速不一定相同需經行平衡實驗後微調
3.機面做成流體面可以提升其升力,增強滑行能力)




功能及成本預算

功能簡紹:
介紹功能前先簡單羅列一下固定翼與多旋翼的優缺點
固定翼:
優點(1)飛行距離長,巡航面積大;
(2)飛行速度快;
(3)飛行高度高;
(4)可設置航線自動飛行;
(5)可設置回收點座標自動降落。
缺點(1)不能懸停獲取連續某處影像;
(2)只能按照固定航線飛行不夠靈活;
(3)操作難度較大,這也導致了高風險;
多旋翼:
優點(1)體積小、重量輕、噪音小、隱蔽性好,適合多平臺,多空間使用;
(2)可以垂直起降,不需要彈射器、發射架進行發射,可懸停、側飛、倒飛;
(3)飛行高度低,具有很強的機動性,執行特種任務能力強;
缺點1)飛行速度慢。對於要求高空高速度的鏡頭無法實現。
(2)飛行距離較短。由於技術條件的限制(遙控),如果爲了增大拍攝距離,可以讓遙控者站在車上,這樣可以提高拍攝半徑。
所以可以看出固定翼與多旋翼的結合可以在機動性能方面得到提升(這是固定翼所不具備的)可以在速度,自由度等性能方面得到提升(這是多旋翼所不具備的)並且,採用樹莓派自動循跡飛行可以解決人力有限、接收器信號限制和人力操作等問題,而爲了解決自動飛行期間會出現的問題,我裝置了超聲波傳感器這個是我在CDSN社區看到的方法(主要還是他比激光雷達便宜的多),這可以通過對樹莓派的編程建立一個無人機避障系統(這個等我學會Python以後就編一個),爲了實現自動飛行加裝了一個GPS定位器,考慮到續航問題及電機需求電壓與電量,樹莓派的電池應該不夠,於是還新增加了一個電池。
成本
樹莓派(4B)230 yuan
GPS接收器 50yuan
超聲波傳感器 50yuan
電機 1554=620yuan
槳葉 11
4=44yuan
舵機11*4=44yuan
電池38yuan
其他建材(含機體材料,托盤等) 50 yuan
合計:1088yuan<$200

























總結與鳴謝

在這次設計過程中,我在CSDN上查看並學習了許多其他優秀的博客,瞭解到了一些以前沒有涉及到的領域的知識。在這次設計當中,我也明顯發現了一個簡單的設計往往其背後也是蘊含着許多基礎知識的組合,目前這個設計也只是一個構想,其樹莓派內部程序編程,其功能運行的算法,都是我現在還沒有設計出來的,當然,在今後的大學學習中,學習了專業知識以後,我會將這些技術問題一一解決,到時候解決過程中遇到的相關問題與收穫心得再和各位一起分享。
PS:最後創客訓練營的選拔我通過了!

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