基于固定翼的巡邏用無人機

張永帥+張美茹+陳迪

摘要：隨著相關產業的迅速發展，無人機技術漸漸融入各個行業中，在航拍，植保，測繪，電力檢測等都有不俗的表現，但是普遍存在航時過短，航程過小，難以完成較遠的任務，所以我們選用固定翼為載機，提出一種覆蓋范圍更廣的無人機作業方案。

關鍵詞：無人機；自動化；單片機；衛星導航；慣性導航

Abstract： With the rapid development of related industries， UAV technology has been gradually integrated into various industries and has performed well in aerial photography， plant protection， surveying and mapping， power detection， etc. However， there are ubiquitous flight delays， To complete the task far， so we use fixed-wing aircraft carrier， proposed a wider coverage of the UAV operating program.

Key words UAV automation SCM satellite navigation inertial navigation

背景介紹

交通監管是管理交通，保證交通正常的重要手段，監管人員需要監管道路情況，應對突發事件，保證在任何情況下確保交通的正常。在城市中，工作人員可以切換攝像頭實現道路監管，但是對于較為偏僻地區，或攝像頭難以覆蓋的地帶很難快速監管，所以我們提出了一種無人機系統來應對這種狀況。

解決方案

對于無人機的載機機體，我們采用航時長，航程遠的固定翼，考慮到主要用于巡邏拍攝，飛行地帶為監控難以覆蓋的偏遠地區，道路上方較為空曠。對飛行姿態把控并不高，只需將航線把控到位即可，所以飛控采用以STM32[1]為核心的Pixhawk。導航則采用雙GPS[2]導航，并采用北斗為備用導航模塊，導航準確，以電力為能源。動力系統采用大功率無刷電機。

總系統分為兩個大部分，為機載部分和地面部分，兩部分通過通信設備進行交換數據。

1.機載飛行控制系統[3]：飛行控制系統采用飛行控制芯片+傳感器構成，為了飛行的智能化，我們將采用冗余控制，對載機的控制為：

a.飛行器智能控制：飛行器根據任務，自動規劃航點，并進行飛行與調整，輸入信號來自任務執行系統。并且突發情況下有中斷任務權限，例如避障，失速調整，外界大擾動自動修復，低電量返航，遇損。

b.地面站半自動控制：手動控制飛行器姿態，用于手動起飛降落，或者突發任務或遇到飛控難以自主處理的情況時的無人機操控，輸入值為姿態信號，根據姿態信號飛控調整舵面，動力系統等，輔助姿態控制。

c.完全手動控制：完全手動操控，用于突發情況，飛控受損，故障，載機受損，等重大干擾下，輸入信號直接控制舵面。這屬于突發情況下最后的操作，以保證飛行器的可靠性。

2.機載任務執行系統：我們將任務執行系統與飛控系統分離出來，這樣能更好的進行任務分析而不占用飛控系統，并且可以采用運算量更大的算法，對后期的算法寫入更友好。

3.機載通信系統：機載通信系統與地面通信，雙向數據傳輸，可以將飛行器的飛行狀況，圖像等信息傳回地面，也接受來自地面的信息，由于任務時航程過遠，而機載信息發射裝置大小，重量，散熱都有限制，所以功率較小，覆蓋范圍小，所以在遠程任務時，回傳信息有距離限制，小于地面發射端的覆蓋范圍，所以對于飛行任務中，通信有三種狀況：

A.信號交流區（數據雙向傳輸）：在機載發射端覆蓋范圍內，在此范圍內，無人機將及時與地面通信，回傳任務信息。

B.任務發送區（地面段單向傳輸）：地面端單向傳送信號，通常用于任務發送。等待飛行器進入信號交流區。

C.無信息區：超遠距離任務或信號干擾嚴重，理論上地面站無法區分任務發送去和無信號區，在地面站中通常會設定兩區的界限，并根據飛行任務與飛行時間估計距離，判斷其所在，在無信號區中，盡量避免任務的發送。

實際使用中，盡量避免B，C區的產生，通常為加大機載設備與地面發射設備的功率，采用多種通信手段加強聯系，避免在電磁環境復雜的情況下飛行。

信號頻段選擇：1）433M頻段：范圍大，但是抗干擾能力低，在城市中避免使用

2）1.4G頻段：穿透力強，抗干擾能力強

3）2.4G頻段：該頻段在日常家用電器中應用廣泛，主要用于陸地工業無線監控，成本低，頻點易把控，可釋放12個頻道

4）5.8G頻段：信號質量高，多用于圖傳信號傳輸，但是穿透力差

地面通常站采用2.4G發射信號，機載設備通常選用5.8G進行圖像回傳。這樣可以保證發射端覆蓋范圍大，機載發射端，回傳質量高。

4.導航系統：導航采用冗余衛星導航，為了提高準確度，我們對采用多種衛星導航，以GPS為主要參數，北斗，格洛納斯為修正參數，進行篩選與計算[4]，對于無信息區，如果衛星導航收到干擾，搜星數減少，會切換慣性導航，采用加速度計對數據處理，結合姿態解算出大概方位，進行導航，并取消任務進入返航模式，直到搜星成功回到預定軌道，返回信息請求返航或者繼續執行任務。采用這樣的方法能很好的避免失去GPS后無人機的任務錯誤的問題，進入返航模式能很好的保護無人機，避免出現丟機，導航錯誤的情況。

5.地面站人機界面：通過可視界面可以直觀檢測飛行器狀況，采用PX4地面站，用于作為檢測地面站，PX4地面站數據齊全，數據鏈緊湊，容錯率高，PX4地面站兼容Linux系統，可以采用嵌入式系統，制作時可以做成小型手持設備。將地面站小型化的同時，保持其功能的完整性，

存在問題

無人機續航時間仍然主要取決于電池，隨著電池的蓄電量增大，重量的變化更大，所以對于續航的增加，只靠增加電池容量是不可取的，現在航模電池使用的是鋰聚合物電池（Li-polymer），但是其重量較大，影響續航時間；對于容量磷酸鐵鋰電池（LiFeCoPO4）[5]，相同重量，電量比鋰聚合物電池要大，但是放電倍率較低只能達到2C-10C，很難滿足大功率電機的要求；新型動力如燃料電池，太陽能電池，成本過高，不適合普及，所以一般無人機續航很難超過2.5小時。

其次是自動巡航方面，當無人機脫離人工控制后，系統非常依賴于衛星導航，對于信號差，或強干擾地帶，衛星搜星數過少時，無人機難以正常作業。并且進入慣性導航模式下，利用加速度連續積分，并結合姿態解算出數據，所以準確度并不高，并且誤差會隨著時間的增加而累加，如果一味靠慣性導航，可靠性并不高，只作為應急處理，所以在衛星信號普遍不好的地帶，還是需要避免飛行。

參考文獻：

[1]（英）姚文祥.ARM Cortex M3權威指南（第三版） [M].清華大學出版社，2015.

[2] 秦永元. 慣性導航[M].北京：科學出版社，2006

[3]King Sunfu，Gonzalez Rafael C ，Lee C S George. Robotics： Control Sensing，Vision and Intelligence [M].McGraw-Hill Education ，1987.

[4]Bishop Gary. Welchan Greg.姚旭晨.卡爾曼濾波器介紹.https：//www.cs.unc.edu/～welch/media/pdf/Kalman_intr o.pdf

[5]（美）托馬斯 B. 雷迪. 電池手冊（第四版）[M].化學工業出版社，2013.