基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機

河南師范大學電子與電氣工程學院 張松玲 宋國祥 王 芳

基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機

河南師范大學電子與電氣工程學院 張松玲 宋國祥 王 芳

本設計的最大特點是仿生、遠程監控和GPS定位功能的結合。首先利用撲翼無人機像鳥一樣的仿生形態，隱蔽性強，在軍事偵察中，不易被敵人發現。其次該設計具有遠程監控功能，能將偵察現場的視頻和音頻通過無線傳輸同步發送到手機，在手機上對偵察現場實時監控。同時加入GPS定位功能，在手機上可對無人機精準定位、對偵察對象實時追蹤。另外本設計實現了小型化結構，在較小的機身內，集仿生、遠程監控、GPS定位于一體，實現高度的集成化。在民用上該無人機模型可用于災區救援，飛進事故現場傳輸救援信息，當搭載不同設備后還可實現火災預警、自主飛行、通信中繼等拓展功能。

撲翼；仿生形態；遠程監控；GPS定位；小型化

0 引言

隨著仿生技術、空氣動力學和微加工技術的日益發展，加之軍事和民用方面的廣泛應用前景，仿生撲翼無人機成為了國內外科學領域研究的熱點。與國內外研究現狀對比：國內的撲翼無人機的研究還處于校園階段[1-2]，并且國內對小型撲翼無人機的研究水平更為薄弱，功能較為單一，一般只能實現初步的飛行。國外對撲翼無人機的研究雖領先于國內，但是仍存在弊端，航時短，并未真正投入使用[3-4]。而基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機，在較小的機身內，集仿生、遠程監控、GPS定位于一體，通過無線傳輸將視頻、音頻和位置信息同步發送到手機、電腦等終端，實現高度的集成化。并且通過實驗測試和結果分析，達到了預期成果，實現了集仿生、遠程監控、GPS定位于一體的高度集成化。軍用方面可用于軍事偵察，也可以對大型建筑物及軍事設備的內部進行監視，特別適合在城市作戰中使用；民用方面可飛進事故現場，傳輸救援信息，如地震、火災等。

1 系統簡介

以仿生撲翼無人機的仿生形態為基礎，結合遠程監控[5]和GPS定位[6]，利用無人機上的攝像頭、聲卡和GPS定位模塊，分別采集視頻、音頻和位置信息，并通過無線傳輸同步發送到手機、電腦等終端，從而實現對偵察現場的遠程監控、對偵察對象的實時追蹤。

1.1 信息采集調制模塊

該模塊設置在本無人機內部。如圖1所示，攝像頭模塊將采集到的視頻、音頻等信息和GPS定位單元采集到的經過信號處理單元處理后的位置信息依次經過信源編碼、加密、信道編碼、數字調制，最終到達天線，天線將已調信號發送到中繼放大模塊。

圖1 信息采集調制模塊原理圖

1.2 中繼放大模塊

該模塊設置在基站上。如圖2所示，經信息采集調制模塊中的天線發送過來的已調信號依次經過接收濾波器、抽樣判決器、功率放大器，最終到達基站天線，基站天線將該信號發送到無線接收解調模塊。

1.3 無線接收解調模塊

如圖3所示，基站天線傳送過來的信號依次經過帶通濾波器、功率放大器、數字解調、信道譯碼、解密、信源譯碼，最終將信號輸送到顯示設備，在顯示設備上可以看到攝像頭模塊采集到的視頻、音頻等信息和GPS定位單元采集到的位置信息。

圖2 中繼放大模塊原理框圖

圖3 無線接收解調模塊原理框圖

2 偵察無人機性能測試

目前的無人機多為固定翼和旋翼，這兩類無人機在軍事偵察中隱蔽性差。而本仿生撲翼偵察無人機完全仿照鳥類飛行的特點設計制作，具有高度的仿生形態，尤其適用于軍事偵察，隱蔽性極強，不易被敵人發現。目前小型化的無人機功能較為單一，一般只能實現視頻傳輸，而本仿生撲翼偵察無人機不僅具有小型化的特點，而且在較小的機身內，集仿生、遠程監控、GPS定位于一體，實現了視頻、音頻、位置信號的同步傳輸。

2.1 仿生測試

基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機具有高度的仿生形態，在軍事偵察中隱蔽性強，不易被敵人發現；為了實現無人機的平穩飛行。我們完全仿照鳥類結構，運用雙層塑料薄膜作為機翼，高能聚合EPP泡沫做高度仿生形態的紡錘形的機身，利用小型蓄電池作為本無人機的動力來源，從而實現了基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機高度的仿生形態和平穩飛行。

2.2 遠程監控測試

基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機具有遠程監控功能。運用信息采集技術和2.4G無線射頻通信技術[7]，能將偵察現場的視頻、音頻等信息，通過無線傳輸同步穩定的發送到手機，在手機上實現對偵察現場的遠程監控。并且由于2.4GHz無線射頻技術采用專用的數據通道，呈現相似頻段的可能性大幅降低，減少了信號之間的干擾，保證了系統的穩定性。在民用方面本無人機具有廣泛的應用。火災、地震等人員無法靠近的事故現場，往往由于不能及時獲取求救者的具體位置和周圍環境等信息而使救援失敗，而本仿生撲翼偵察無人機可以飛進事故現場，實時傳輸救援信息，給災區救援提供了極大的便利。

2.3 GPS定位測試

基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機具有GPS定位功能。可在手機上可對無人機精準定位，實現對偵察對象的實時追蹤。我們采用高集成度的微型GPS定位模塊，一方面微型化的GPS定位模塊正好適應了本無人機小型化的特點，另一方面該GPS定位模塊相比其他同功能的模塊具有重量輕的優勢，更適合裝載在本無人機上，為其穩定飛行提供了保障。

2.4 高度集成化測試

如圖4所示，基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機具有小型化的特點，在較小的機身內，運用電子工藝裝配技術，集仿生、遠程監控、GPS定位于一體，實現高度的集成化。同時電子工藝裝配技術具有可靠性高、性能好和成本低等優點，為本無人機日后的推廣提供了技術支撐。

圖4 基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機小型化、多功能示意圖

3 結論

基于遠程監控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機在仿生撲翼無人機的仿生形態的基礎上，運用信息采集技術、無線通信技術和電子工藝裝配技術，融合了遠程監控、GPS定位，實現了仿生、遠程監控和GPS定位功能的結合。在軍事偵察和災區救援的方面具有重要意義，隨著科技的進步，本仿生撲翼偵察無人機在硬件、材料、技術上均將逐步完善，性能逐漸提高，價格逐漸降低，具有廣泛的應用前景。

[1]姜城,孫敏,董娜等．面向遠程監控的無人機視頻地理信息增強方法[J]．測繪通報,2014,(11):28-32．

[2]Balasubramanian Esakki;Vasantharaj Rajagopal;Rusendar Babu Srihari．Dynamic Modeling and Simulation of Flapping Wings UAV[J]．Innovative Design, Analysis and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering．2014：105-115．

[3]劉志華,彭小龍,李陽等．防不勝防的美國微型無人機[J]．兵工自動化,2007,26(6):插5-插6．

[4]Hosein Mahjoubi(1);Katie Byl(1)．Efficient Flight Control via Mechani cal Impedance Manipulation: Energy Analyses for Hummingbird-Inspired MAVs[J]．Journal of Intelligent and Robotic Systems．2014,Vol．73(No．1-4):487-512．

[5]沈令斌,趙志敏,俞曉磊等．基于新型光纖智能結構的遠程監控物聯網系統設計[J]．南京航空航天大學學報,2015,47(3):453-458．

[6]陸建山,王昌明,宋高順等．基于卡爾曼濾波的交互式多模型GPS定位方法研究[J]．兵工學報,2011,32(6):770-774．

[7]胡致遠,宋洋洋,袁研根等．微功率無線通信技術在電力線路中的適應性分析[J]．電力系統自動化,2014,(8):113-118．

張松玲（1997—），女，河南南陽人，大學本科，現就讀于河南師范大學電子與電氣工程學院電子信息工程專業。

本項目受河南省科技廳科技攻關重點項目(142102310276)資助；感謝該項目對我們實驗的支持和幫助。