摘要：鉴于常规多旋翼航拍无人机摄像机侧向拍摄时无法兼顾飞行方向上的障碍物而只能拍摄正前方、整机重量影响续航时间、收纳体积较大对运输和存储造成困难等问题，以航拍无人机承载平台的机架为主体设计重点，采用丝杆滑块机构和定长的4杆机构组合，使机架具有变形特性。本设计满足高强度、低重量等需求，扩大了无人机的拍摄角度，飞行与拍摄分别独立控制，降低了复杂拍摄任务的操作难度。

关键词：航拍无人机;高强度;拍摄角度

1 前言

如今，无人机技术越来越先进，技术进步的同时成本也随之降低，无人机已经走进了寻常百姓家[1]。而人们接触最多的莫过于无人机在航拍方面的应用了，对于消费级航拍无人机，只需简单的学习便可以进行航拍[2]。而对于专业航拍应对复杂拍摄任务，常规的无人机操作方式便显得十分复杂甚至危险[3]。常规的航拍无人机虽然搭载的摄像机不径相同，但其操作方式大同小异。绝大多数航拍无人机均为单人操作，既需要控制飞行又要控制摄像机的动作，这种操作方式十分复杂，难以应对较复杂的航拍任务[4-5].常规的航拍无人机仅有摄像机这一个拍摄装置，只能通过云台的稳定指向机头方向，若拍摄侧方向目标时，通常需要以侧向作为前进方向，由于视线不在前进方向上，极易撞上障碍物，甚至危及地面人员与财产安全[6]。

本文设计了一种计了4旋翼航拍无人机可变形的机架结构。在优化其重量、续航、便携以及航拍效果的同时， 通过合理分配遥控器通道，将飞行与航拍分为两部分操作， 以降低复杂拍摄任务的操作难度而实现航拍无人机的结构变形与360°自由飞行。

2新型全方位航拍无人机整体结构设计

2.1整体结构方案设计

全方位航拍无人机，中央的机身框架和置于机身框架两侧的两个形机臂，所述机身框架前部挂载了可拆卸的云台和摄像机组件，云台和摄像机组件能够度旋转，所述机身框架中部设有一组丝杆滑块机构，丝杆滑块机构由减速电机驱动，所述机身框架后部设置动力电池和无人机控制器，形机臂由一组定长的四杆机构和支机臂组成，所述四杆机构通过丝杆连接丝杆滑块机构的滑块，支机臂固定在四杆机构的一较短杆摇臂上，且末端设有电机座，电机座上设有无刷电机，无刷电机上设有螺旋桨。满足高强度、低重量等需求，还扩大了无人机的拍摄角度，飞行与拍摄分别独立控制，降低了复杂拍摄任务的操作难度。

2.2无人机机身框架设计

T形连接件是连接机身与动力系统的节点， 是本机架的关键零件由四杆机构和支机臂组成，四杆机构由机身框架的一部分、主机臂、拉杆和摇臂通过铰链连接组成。丝杆滑块机构由机身框架的中部作为滑块的滑槽，滑块中间穿有丝杆，丝杆由减速电机驱动。滑块通过丝杆连接主机臂。

采用定长的可呈平行四边形分布的4杆机构， 用以保证变形过程中电机轴线与机身平行与水平面垂直，4杆机构与滑块之间组成丝杆滑块机构， 动力来自微型减速电机， 通过微型减速电机带动丝杆， 使滑块在行程内上下运动，再通过连杆连接滑块与4杆机构;这样便可以改变4杆机构的形状，以实现无人机的机身变形。

本变形机架航拍无人机不仅能拍摄正前方外， 还能进行360°的拍摄且操控人员为2人， 这将大大降低航拍的拍摄难度甚至复杂的拍摄任务;由于起重量小于X布局、H布局的常规四旋翼航拍无人机，可以增加其续航时间和减少耗费的电池电力;本变形机架航拍无人机的变形尺寸相对于其展开尺寸的收纳体积较X布局、H布局的常规四旋翼航拍无人机的要小很多，则可更方便多承载的运输和存储。

2.3航拍摄像工作原理

机臂下放时为降落模式，将机身与摄像机的高度提升，以保护摄像机起飞后机臂升起，摄像机度方向均无阻挡挡，拍摄动作可独立控制，且动力输出平面提升，整机重心低于螺旋桨平面，稳定性和抗风性能可大幅提高。配套的地面控制系统分为两部分，飞行控制部分用于控制飞行器飞行，摄像控制部分用于控制云台和摄像机的拍摄动作。飞行控制部分和摄像控制部分均配备独立的视频传输系统，飞行控制部分通过视频传输系统监控飞行状态，摄像控制部分通过视频传输系统抓取合适的角度进行摄像。无人机的飞行动力系统采用无刷电机，高效两叶螺旋桨，采用铿离子电池，滞空时间可达分钟，满足专业航拍的需求。

3结论

（1）采用定长4杆机构和丝杆滑块机构完成了无人机的机架变形， 实现了360°全方位航拍和飞行稳定性功能， 提高了航拍的摄像性能;

（2）根据变形机架零件 （如T形连接件） 承载下的应力和变形结果， 以指导3D打印件的优化设计和材料用量的减少， 以降低零件及其整机重量， 使得续航时间的增加;

（3） 本文实现了双人的独立操作方式， 可完成不同操作难度的拍摄任务。

参考文献

[1]王日俊，白越，续志军，等.多旋翼无人飞行器机载云台的复合稳定控制方法[J]. 电光与控制，2016，23（04）：17-22.

[2]刘浩蓬，龙长江，胡奔，等.一种无人多旋翼喷雾飞行器的设计[J].华中农业大学 学报，2016，35（03）：140-144.

[3]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（05）：505-513+540.

[4]柴永生，秦存平，姜曼，等.一种新型四轴飞行器的设计和结构分析[J].机械设计与研究，2016，32（03）：47-50+55.

[5]鲜斌，查君浩.倾转式三旋翼无人飞行器抗扰非线性控制设计[J].控制与决策，2018，33（02）：263-268.

[6]王姝.多旋翼无人机航拍在饮用水源保护区环境勘查中的应用——以辽宁省大伙房水库为例[J].辽宁大学学报（哲学社会科学版），2016，44（05）：57-62.

作者简介

姓名：熊震，性别：男，出生年月：1994，10，籍贯：江西，单位名称：南昌工程学院330099，学历/职称：研究生，研究方向：摩擦副外电磁场设计及其电-磁耦合应用研究

通讯作者简介

姓名：胡瑞，性别：男，出生年月：1979，籍贯：江西，单位名称：南昌工程学院330099，学历/职称：博士、副教授，研究方向：现代机械设计理论及方法

基金项目：国家（江西省）大学生创新创业训练计划资助项目（201725）