新型无人机投掷系统设计报告V1.3

新型无人机投掷系统 设计报告 一、项目概述
本设计是基于ATmega328微处理器及Arduino 开发的一款新型无人机投掷系统。

主要功能为实现利用无人机提升重物到达指定地点并投掷相应物件，也可实现到达指定地点提升重物带回出发点。

该产品可广泛应用于抢险救灾，婚庆商演，短途急件物流等领域。

成本低廉，使用便捷，市场前景广阔。

二、工作原理
本系统主要包含两个部分：无人机和空投模块。

无人机主要采用大疆现有设备，空投部分为自主设计模块，主要包含电源、Ardunio 最小系统、光敏电阻、光敏继电器及步进电机。

总体设计框图如下图所示：
图1 无人机空投系统总体设计框图
无人机与手机客户端间采用2.4G 无线wifi 进行数据通信，将无人机上摄像头所拍摄视频流通过wifi 传送至手机进行实况显示，同时手机客户端及无线遥控可控制无人机上指示灯的亮灭，本设计空投模块主要利用了对无人机上指示灯的亮灭检测来控制步进电机的角度转动，从而控制对物件的空投实现。

无人机
指示灯 手机客户端 2.4G wifi
空投模块
光敏 电阻 Arduino 集成块 步进电机
空投物件
电源 模块 无线遥控 2.4G wifi 视频传
输
实况显示
光敏 继电器
二、硬件电路设计及软件程序设计
硬件电路设计：本设计硬件电路主要包含无人机部分和空投模块，其中空投模块由光敏电阻、Arduino集成块及步进电机构成。

Arduino集成块电路原理图如图2所示：
图2 Arduino集成块电路原理图
Arduino集成块PCB图如图3所示：
图3 Arduino集成块PCB图
软件程序设计：Arduino集成块输出口连接在步进电机驱动器上，编程输出PWM脉冲信号进而控制步进电机的旋转角度，Arduino另一接口连接光敏继电器模块，检测光敏电路的是否有产生光照信号。

本设计自主设计的主要模块为空投模块，故在此主要分析空投模块程序设计流程，Arduino集成块检测是否有光照信号的产生，假如有光照信号，便驱动电机旋转相应角度，驱动传动轴释放物件。

程序设计流程图如图4所示。

主要源代码分析：
#include <Servo.h> //Arduino头文件
Servo servo_0; //定义舵机名称
void setup(){
pinMode(13,INPUT); //光敏继电器COM端连接13接口，设置为输入模式servo_0.attach(9); //舵机接口为Arduino集成块9接口
}
void loop(){ //定义loop函数while(1){
if(digitalRead(13)==1){ //检测13接口是否有光（对应高电平）servo_0.write(20); //经测试赋值20时，舵机为闭合状态
delay(2000); //延时函数，使舵机有充分时间旋转}
else{
servo_0.write(48); ////经测试赋值20时，舵机为打开状态
delay(2000);
}
}
}
图4 空投模块程序设计流程图
三、改进过程
无人机空投，早在几年前就有行业应用舵机开关空投的方案，目前世面上也有同样的成品出售。

不过此类产品存在一些弊端；
1.无法兼容市面上大部分无人机，有的只是针对特定无人机开发的装置。

2.整体质量太重，导致后期负载能力降低，电机长期处于动力饱和状态。

3.装置布局不合理，导致负载无法位于无人机重心，降低了负载能力也增加了炸鸡风险。

针对现有产品的上述问题，产品从设计之初就提出了“轻便”的原则。

并大
胆采用了一套新的控制思路；只需在无人机APP中控制信号灯的开灭，然后通过arduino对无人机信号灯的检测进而输出PWM信号控制电机的旋转角度即可控制对物件的定点投放。

这样不仅抛弃了一套无线控制模块，减轻了重量。

也解决了遥控信号受到干扰，远距离投放时，信号延时，甚至投放不了的尴尬场面。

为了把重量降到极致，作品采用了最新的3D打印技术，不仅强度高，重量轻。

在电路方面，我们根据需要自己绘制PCB版，砍掉一切多余的存在。

四、成果展示及数据分析
硬件组装：空投部分所用材料主要包含Arduino集成块，步进电机驱动器，步进电机，联轴器，主轴，2个轴承座，电机手轮，橡胶垫块，金属垫片，引线，光敏电阻，电机支架，传动轴和碳纤板。

（在最新版的装置中，通过3D打印技术已将联轴器，主轴，轴承座，电机手轮，橡胶垫块，金属垫片，电机支架，传动轴和碳纤板整合为一体，使其结构紧凑重量也更低。

）
图5 硬件连接参考图
步进电机通过电机支架固定在碳纤板上，步进电机主轴与传动轴通过联轴器连接在一起并保证了同轴度。

传动轴的中间即碳纤板的正下方放置一个电机手轮。

通过电机手轮悬挂物体。

电机手轮左右对称的位置分别放置一个轴承座，用于承受装置的外力。

为了保证步进电机主轴和传动轴的等高，在轴承座下方安装一个橡胶垫块，用于调整轴承座与碳纤板之间的距离。

工作时，光敏传感器收到
光信号，再利用信号转换芯片，实现单片机与步进电机驱动器之间的通讯;单片机发出脉冲信号控制步进电机驱动器，进而控制步进电机转动一定的角度，通过联轴器带动电机手轮转动相应的角度，从而实现重物的抛投。

为了把重量降到极致，作品采用了最新的3D打印技术，不仅强度高，重量轻。

在电路方面，我们根据需要自己绘制PCB版，砍掉一切多余的存在。

所以作
品从第一代的219g，降低到现在的66g，仅有初代产品重量的百分之三十。

经试验检测，空载状态时几乎不影响无人机的续航。

五、后续改进方案
在此系统上可继续进行相关拓展开发一次航程多次投掷的装置，有效解决一次航程只能投掷一件物体的弊端，未来将在无人机物流等领域发挥重要作用。

一次航程能投掷多次物体，大大降低飞行成本，有利于无人的普及，更好地造福社会，一次多投装置设计原理图如图7所示。

图7 多投装置机械设计图。