快運(yùn)定位無人機(jī)研究

金振洲 姚廣霆 吉睿陽 李俍畬

摘 要：在社會(huì)日益發(fā)展的今天，及時(shí)的、快速的精確短途運(yùn)輸需求越來越大，如重要文件、急需藥品，在城際之間、在城市內(nèi)部的短途運(yùn)輸，快運(yùn)定位無人機(jī)可以自動(dòng)定位，快速準(zhǔn)確的送達(dá)，滿足人們的需求。

關(guān)鍵詞：短途運(yùn)輸；無人機(jī)；自動(dòng)定位

中圖分類號(hào)：F259.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0059-02

Abstract： Today， with the development of society， the demand for timely， rapid and accurate short-haul transportation is increasing. For example， important documents， urgently needed medicines， and short-haul transportation between cities and within cities can be located automatically by unmanned aerial vehicles （UAVs）， thus meeting the needs of people with fast and accurate delivery.

Keywords： short distance transportation； UAV； automatic positioning

引言

在社會(huì)日益發(fā)展的今天，及時(shí)的、快速的精確短途運(yùn)輸需求越來越大，如重要文件、急需藥品，在城際之間、在城市內(nèi)部的短途運(yùn)輸，快運(yùn)定位無人機(jī)可以自動(dòng)定位，快速準(zhǔn)確的送達(dá)，滿足人們的需求。譬如，某公司需要將一批珍貴文件檔案或是核心零件快速發(fā)放給下屬分公司，這就要求運(yùn)輸快速、準(zhǔn)確、可靠。又或是珍貴藥品急需運(yùn)往災(zāi)區(qū)，乃至對(duì)于固定地域的精確制導(dǎo)巡邏，都可以運(yùn)用本產(chǎn)品。當(dāng)今社會(huì)，很多需要緊急運(yùn)輸?shù)恼滟F且價(jià)值巨大的物品，都可以用定位無人機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，提高社會(huì)運(yùn)行效率，這一應(yīng)用前景廣大。

1 快運(yùn)定位無人機(jī)

快運(yùn)定位無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高，使用無人機(jī)作為載體，可以避免堵車等一系列問題，且裝上了GPS定位模塊，定位準(zhǔn)確。自己可以全程檢測(cè)，技術(shù)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全部智能化，為了增加可靠性，也可以必要時(shí)人工手動(dòng)操作。

快運(yùn)定位無人機(jī)的核心是GPS定位器，其中內(nèi)置了“GPS模塊”和“移動(dòng)通信模塊的終端”。通過將GPS模塊獲得的定位數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信模塊（GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)）傳到網(wǎng)站的一臺(tái)服務(wù)器，從而可以實(shí)現(xiàn)在電腦看查詢終端的地理位置。那么其原理是怎么工作的呢？GPS信號(hào)接收機(jī)對(duì)按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行捕捉，跟蹤它們的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行放大、變換與處理，以便可以測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站所在的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。在靜態(tài)定位中，PS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)則對(duì)GPS信號(hào)的傳播時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)量，利用GPS衛(wèi)星在軌道上的已知位置，解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過程中的相關(guān)信息再由軟件系統(tǒng)根據(jù)這些信息進(jìn)行處理，計(jì)算運(yùn)行軌跡。

2 快運(yùn)定位無人機(jī)工作原理探討

由流體力學(xué)的基本原理可知，流動(dòng)慢的大氣壓強(qiáng)較大，而流動(dòng)快的大氣壓強(qiáng)較小。所以機(jī)翼的設(shè)計(jì)都是不對(duì)稱的，上表面比較凸出，而下表面比較平，使得大氣施加于機(jī)翼下表面的壓力比施加于機(jī)翼上表面的壓力大，從而產(chǎn)生升力。

本產(chǎn)品所選的是旋翼式的升空方式，因?yàn)檫@樣更加的穩(wěn)定，也更方便垂直方向的起降，旋翼機(jī)的旋翼不與動(dòng)力系統(tǒng)相連，由飛行過程中的前方氣流吹動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力（像大風(fēng)車一樣），即旋翼為自轉(zhuǎn)式，這樣由空氣傳遞到機(jī)身上的扭矩很小，無需專門抵消，減少了動(dòng)力方面的消耗。這樣的設(shè)計(jì)降低技術(shù)難度，增加了可靠性與性價(jià)比。

本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)則主要在于其結(jié)構(gòu)形式，四個(gè)不論結(jié)構(gòu)還是半徑都相同的旋翼對(duì)稱分布在機(jī)體的四個(gè)方向，并處于同一高度平面，四個(gè)電機(jī)也對(duì)稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間則用來安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。降低發(fā)動(dòng)機(jī)與旋翼葉片相互之間的依賴性，增加可靠性。

四旋翼飛行器雖然只有四個(gè)輸入力，但卻是一種六自由度的垂直升降機(jī)，即擁有六個(gè)狀態(tài)輸出（如圖1所示）。

3 快運(yùn)定位無人機(jī)設(shè)計(jì)原則

對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我遵循簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，為的是能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，數(shù)字化應(yīng)用。我采用無刷電機(jī)來提供核心動(dòng)力。一頭固定在機(jī)架力臂的電機(jī)座，一頭固定螺旋槳，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生向下的推力。不同大小、負(fù)載的機(jī)架，需要配合不同規(guī)格、功率的電機(jī)，所以電機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)是效率，而非大小。

我們的產(chǎn)品最大的創(chuàng)新在于全新的GPS定位模塊，它是一款功能強(qiáng)大的芯片模塊，原理圖如圖2所示。

以前定位器都是復(fù)雜的一整套系統(tǒng)，復(fù)雜，重量大，價(jià)格比較昂貴，我們的計(jì)劃是能把GPS集成到一小塊芯片上，僅僅作為一個(gè)信號(hào)接收和發(fā)出的作用，具體的定位工作由衛(wèi)星去完成，能夠改變以往無人機(jī)自己攜帶定位器自重過大，續(xù)航能力差的弊端，而具體的軌跡計(jì)算完全由終端中心計(jì)算機(jī)軟件完成。當(dāng)然，這對(duì)于芯片的集成度提出了很高的要求，但我認(rèn)為這是未來的發(fā)展方向，集成化，小型化，物物相連，最大程度的降低成本。

4 結(jié)束語

就可行性而言，這套產(chǎn)品的可行性是完全可行的。我們的芯片對(duì)于定位檢測(cè)，和衛(wèi)星相連后發(fā)回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，精準(zhǔn)度還是相當(dāng)高的，誤差均在1米以內(nèi)，至于最優(yōu)軌跡的計(jì)算，目前軟件還是有些問題，但之后一定會(huì)得到解決。

這套產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初衷，我的考慮就是規(guī)模化，數(shù)字化，所有的零件不應(yīng)該只是很獨(dú)特的，而應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、智能化生產(chǎn)。所有的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，我們都是根據(jù)這一要求，用電力與效率，創(chuàng)造美好未來，真正的用數(shù)字化譜寫未來，讓生活更美好。

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