多位一體勘探救援飛行器

季坤++凌一銳++姚理清++葛允石

[摘 要]近年來，自然災害和人為災害頻發，導致受災人員被困、災區地形復雜且環境險惡、救援人員難以及時進入現場營救、救援壓力增大。為了減輕救援人員壓力，保證受災人員的生命安全，就需要在第一時間了解災區環境并通過研究分析，制定出最合理的救援方案。在通過現有的救援方法的各種利弊后，提出本文的多位一體勘探救援飛行器方案。

[關鍵詞]多位一體 飛行器 機械設計 控制

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0321-02

引言

在自然災害發生后的一些惡劣環境堪測救援中，因情況不明而導致許多災害發生區救援隊伍和救援工具在第一時間內無法進入災害區進行勘測和開展救援的情況，因此使許多地區沒有得到及時的救援而遭受了巨大的損失。所以，怎樣能夠有效地獲取這些惡劣環境中的狀況和信息而及時開展救援行動是當今應對自然災害急需要解決的難題。而研發基于現代科技技術多位一體地質災害勘探救援的飛行器，正是應對在惡劣環境中無法獲取重要信息情況的有效工具。在整個勘測救援飛行器裝置上搭載GPS模塊、全息照相、信號接收器、生命探測儀、無線傳送等一體探測裝置，使其總體占據空間保持在0.125m^3之內，整體機身重量2kg左右。能夠很好的適應人為情況達不到的勘測情況，大大提高的了應對救援效率，降低在救援過程中發生的人員或是物品的損失程度。

一、飛行器概述

1.1 機身結構

飛行器由機架，螺旋槳，電機，云臺和相機，控制電路等部分組成。

機架：機架部分采用蜂鳥航模全折疊式四軸飛行器機架，軸距570mm，碳纖維材料。

電動機：無刷電機，DJI3510提供飛行器的動力支持。

電池：電池采用大疆4500mAh，LiPo6s，26.3V，TB47D型號高智能性電池。

云臺：三軸（俯仰，橫滾，偏航），可轉控范圍是俯仰-90°至+30°。

相機：1276萬像素，FOV 94°20mm（35mm格式等效）f/2.8對焦點無窮遠的鏡頭，配有1/2.3”CMOS的傳感器，ISO范圍100-3200（視頻），100-1600（照片）。

遙控：可用專用遙控器，控制頻率在5.725GHz 5.825GHz，控制距離達1200m，在無遮擋的環境下飛行高度可達120m，靈敏度FCC：19dBm，CE：14dBm，控制通道可用平板電腦或手機。

1.2 控制設計

四翼無人機硬件包括以下幾個部分：機體平臺、系統初始化模塊傳感器數據采集模塊、數據處理模塊、導航模塊、控制模塊、無線通信模塊（圖1）。

軟件系統各模塊的主要功能介紹如下：

（1）系統初始化模塊：包含軟件系統初始化和硬件系統初始化兩部分。

（2）傳感器數據采集模塊：主要功能是獲取傳感器發送的有效數據。正確設置相關外設，使系統傳感器可以持續、正常的運行。

（3）數據處理模塊：起到各模塊的銜接作用，例如A/D采樣的濾波、字符串與整形和浮點型之間的互換、數字羅盤的信息提取等等。

（4）導航模塊：通過導航算法，將傳感器數據轉化為導航數據，為控制器提供系統控制所需的位姿信息。

（5）控制模塊：控制器的軟件核心，包含控制系統主要算法。

（6）無線通訊模塊：負責控制系統和上位機或其他設備的通信。

隨著芯片技術的發展，單片CPU的處理速度和處理能力正在逐漸增強，其中德州儀器（TI）的DSP正在越來越多地應用與各個領域。尤其是F28XXX系列的DSP非常適合運動控制，它含有豐富的外設、幾十種中斷響應、脈寬輸出、光電編碼接口、多種通信接口等等。因此本文選用DSP作為核心控制器。另外DSP含有上百KB的片上FLASH，一般規模的控制程序都可以寫進FLASH而不需要內存擴展。為了簡化系統，數據處理模塊也由DSP來承擔，而不單獨使用其他的芯片實現。

由以上內容可知，四旋翼無人機控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系統（2）慣性測量單元（IMU）（3）數字羅盤（4）無線通訊模塊（5）電源模塊（6）執行機構（7）超聲波傳感器。

1.3 飛行器性能

二、研究內容

為提高勘測器的高效和易于控制，將采用中央集成系統作為核心控制單元對整個飛行器進行控制，由無線傳輸裝置對采集到的信息遠程反饋到控制終端。信息采集裝置則主要依靠安裝在飛行器前端和底部的感應器與攝像頭等，飛行勘測器的實時位置控制由其上搭載的GPS模塊提供。

2.1 無線通訊模塊

目前，無線通信領域主要包括3G、TD-LTE-Advanced、WiMax、UWB、Wi-Fi以及RFID等幾大技術熱點。

其中，短距離無線通信領域主要運用了UWB（超寬帶）和RFID（射頻識別）技術，并且物聯網的核心技術是RFID，在物聯網逐漸發展的今天無疑將成為無線通信的主流部分；Wi-Fi技術主要用于解決無線局域網的相關問題，可以在公共場所提供方便的“熱點”接入。考慮到小型無人機的操作便捷性，無人機上目前多用Wi-Fi作為無線通信的主要方式。

2.2 定位系統

2.2.1 GPS的組成

GPS空間衛星星座：21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成的系統，均勻分布在6個軌道平面內，軌道平面的傾角是55°。GPS衛星可以產生兩組不同電碼，一組稱為C/A碼，另一組為P碼。

地面控制部分：主控站，5個全球監測站和3個地面控制站。監測站均配裝有精密的儀器，銫鐘和接收機。監測站將所接收到的衛星觀測數據處理后傳送到主控站，最后將最終數據傳送到地面控制站。

GPS用戶設備：GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算機）等。

2.2.2 GPS的工作原理

GPS通過測量用戶接收機到某一衛星的距離來確定該用戶的位置。而這種測量方式存在接收誤差、無線電信號經過電離層和對流層的延遲而導致測量誤差，所以這樣測得的距離稱為偽距。

偽距的計算公式：

（1）

其中，表示信號發射時刻的衛星位置矢量；表示觀測時的接收機工作矢量；c表示光速；表示接收機時鐘相對于GPS時的超前量；表示衛星時鐘相對于GPS時的超前量。

在未來，基于視覺定位的控制定位系統將會在無人機的定位中占主流地位。視覺定位采用SLAM算法，利用多種傳感器感知室內環境和障礙物的位置使得無人機巧妙自行避開障礙物。在塌方，室內著火或其他狹小空間里能夠準確獲知傷員所在位置。現在基于視覺定位的研究方向大多為利用光流傳感器或粒子濾波對于飛行器的位姿估計，使得在SLAM無法控制無人機時仍能準確捕捉無人機的位置和速度。而圖像跟蹤地位易于遠離受災地區控制無人機，若基于射頻的主動視覺傳感器能夠裝載于無人機上，無人機將能夠實現全天候操作，無論天氣情況都將能夠及時獲取高清晰圖像。

2.3 紅外熱成像

2.3.1 紅外熱成像系統

紅外光學最初被稱之為軍事光學，由于紅外探測技術可以實現在黑暗中探測目標、保密通訊的特點，首先被廣泛應用于軍事領域。到20世紀70年代以后，由于民用需求急劇的上升，加之科學技術的大力發展，紅外探測技術被廣泛應用于工業、農業、醫學等各個領域。紅外熱成像系統是把紅外探測器作為核心器件，通過外部電路對事物進行圖像采集并經過一系列圖像處理算法最終將其顯示出來的系統1。

2.4 全息影像

全息攝影就是在攝影的同時將上述兩類信息同時記錄來實現的。采用激光作為照明光源，并將光源發出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產生干涉，感光底片上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度，也記錄了位相信息。與普通的攝影技術相比，全息攝影技術記錄了更多的信息，因此容量比普通照片信息量大得多（百倍甚至千倍以上）。

全息影像的顯示，則是通過光源照射在全息圖上，這束光源的頻率和傳輸方向與參考光束完全一樣，就可以再現物體的立體圖像。觀眾從不同角度看，就可以看到物體的多個側面，只不過看得見摸不到，因為記錄的只是影像。

目前最常用的光源是投影機，因為一來光源亮度相對穩定，二來，投影機還具有放大影像的作用，作為全息展示非常實用。

三、結論

該項目的開發，降低了在不明情況下開展救援活動所發生的不必要的損失，加快了第一救援時間。其體積小，重量輕，操作簡單，易于控制，具有很強的機動性，是提高救援效率，節省時間和降低損失提供了一種有效工具。并且隨之不斷的深入研發，應用的領域也會不斷拓展，多位一體的勘測飛行器的研發將會有廣闊社會前景。

參考文獻

[1] 龐慶霈.四旋翼飛行器的設計與穩定控制研究[D].合肥：中國科技大學，2011.

[2] 孫雨，華南理工大學，小型無人機通信系統的研究與構建，2011.5.

[3] 孟佳東.趙志剛.小型四旋翼無人機建模與控制仿真[J].蘭州交通大學學報.