可續航三棲探測飛行器系統設計與實現

徐文強 柳明 李海龍

【摘要】設計并實現了可續航三棲探測飛行器系統，該系統由三棲探測飛行器和多功能地面維護站組成。三棲探測飛行器以MSP430單片機為核心，采用雙余度旋翼系統作為爬升力，以轉動57BL52無刷電機作為驅動力，搭載有GPS定位系統和GSM通訊系統，可收縮航海板和海陸一體輪直接由MSP430串口通訊 ，并可搭載多種探測裝置，具有三棲作業、垂直起降、移動迅速和低耗能的特性。多功能地面維護站主要配置有信號加強裝置、可充電太陽能供電系統以及無線充電模塊，可解決戶外作業信號弱、作業時間短的問題。本設計可實現復雜環境下數據快速、準確的采集和傳遞。

【關鍵詞】三棲探測飛行器;維護站;GSM;GPS;MSP430

各類濕地保護區一般由永久性及季節性淡水沼澤地和無數小型淺水湖泊組成，棲息和繁殖大量的水禽，由于道路泥濘環境復雜，科研工作者和工作人員難以進入，即使進入也會干擾水禽的生活。化工廠及核設施發生事故后，由于空氣中大量有毒及輻射性物質的存在，液體的大量泄漏，使得救援人員難以深入事故中心進行勘察和救援。針對這些特殊情況，傳統的裝備和技術手段無法實施，因此迫切需要一種在水、陸、空各種條件下均能工作的探測設備來解決上述問題。目前國內外也出現過一些具有探測功能的三棲探測飛行器，但毫無例外都以地殼飛行器為原型，并未從根本上進行結構優化。此類產品多保存小汽車的全部結構框架，且均在汽車的車身上設有可收放的上機翼和下機翼，汽車底盤下設有氣囊，帶有螺旋漿的垂直尾翼和水平尾翼與汽車后廂活動連接。此類飛行器存在著明顯的缺陷，因自身結構復雜、自重較沉且反應時間滯后、靈敏性準確性差，故安全系數不高，不適合執行各種突發狀況下的偵查與探測任務。此外該類產品需要長距離滑翔起飛，且能耗過大不能持續續航的問題也難以解決，因此這類設備不符合三棲探測的要求。

本文設計了可續航水、陸、空三棲探測飛行器系統，可實現實時對上述危險的或者復雜的待測區域的數據采集和探測工作，并且能快速準確的傳遞數據，避免人員傷亡和對生態環境的破壞。本文設計的可續航三棲探測飛行器系統創新采用旋翼升力系統、海陸一體輪、多功能地面維護站等，可解決傳統的三棲探測飛行器的上述缺點，具有結構簡單可靠、質量輕盈、靈敏度高、反應迅速、垂直起降、惡劣條件下持續續航、抗干擾能力強的優點，本系統具有一定的實際應用價值。

一、可續航三棲探測飛行器系統的需要解決的技術問題

（一）平衡穩定性問題

首先，要解決平衡穩定性的問題。由于三棲探測飛行器需要搭載攝像頭及各種傳感器，將實時畫面及被測參數傳遞回地面維護站數據處理區，與傳統工作方式存在巨大差異，要考慮的因素更多。一方面要考慮掛載攝像頭、各種傳感器后三棲探測飛行器的平衡性及穩定性，另一方面，要保證三棲飛行器在海陸空三棲狀態下仍能適應三棲環境。

本文設計的三棲探測飛行器采用雙余度旋翼系統作為系統升力，使得該系統具有安全、平穩、負載能力強的特點，可滿足三棲探測飛行器在惡劣工作條件下的穩定工作。

（二）環境對無線信號的干擾

其次，必須解決惡劣環境對無線控制的干擾。待探測區域多為自然環境惡劣區域或者輻射強度大，次聲、磁場、無線電干擾等會影響進行操作的無線電信號。

本文設計了信號加強裝置，避免因信號干擾造成的三棲探測飛行器失控，影響正常飛行及數據采集傳輸。并寫入失控自動返航程序，做好失控準備，在有效獲取信息的同時切實保護三棲探測飛行器的安全。

（三）串口通訊問題

另外，本文設計的三棲探測飛行器采用多控制器系統協同工作，此時多機通信技術是實現可續航三棲探測飛行器系統控制的關鍵。

本文采用的GSM多機通訊為解決這一問題提供了技術支持。

（四）通訊問題

最后，必須解決交互問題，即要解決三棲探測飛行器與搭載的各探測模塊保持正常通訊、地面多功能維護站與三棲探測飛行器的交互問題。

本文增加GPS模塊實現對三棲探測飛行器的定位，來解決三棲探測飛行器行進位置及路線的定位跟蹤;增加GSM模塊作為信息溝通的途徑，檢測到的測量數據可以通過無線傳輸方式發送到地面多功能維護站，地面多功能維護站也可通過無線網絡將控制指令發送到三棲探測飛行器，從而實現三棲探測飛行器與地面多功能維護站的雙向通訊;此外地面多功能維護站還配置了信號加強裝置，增強了系統的可靠性。

二、可續航三棲探測飛行器系統設計

可續航三棲探測飛行器系統主要由三棲探測飛行器及地面多功能維護站組成。整個系統可實現海、陸、空三棲作業，完成深入探測區域數據采集和信息傳遞工作。

（一）系統硬件的設計

1.三棲探測飛行器的設計

三棲探測飛行器的硬件主要由智能小車、雙余度六旋翼旋翼系統、GPS定位系統、GSM通訊模塊、可控航海板、海陸一體輪和高能鋰電池等成。其實物圖如圖1所示。

圖1 三棲探測飛行器實物圖

智能小車以SP430單片機為核心，MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低MSP430單片機，它的功耗小、具有精簡指令集的混合信號處理器，便于處理各種混合數據，質量輕并且便于協調各模塊關系。雙余度六旋翼旋翼系統作為系統的升力，中間為共軸主旋翼，主旋翼旋轉方向相反;外側為副旋翼，相鄰2旋翼旋轉方向兩兩相反，2順時針旋轉，2逆時針旋轉。其整機升力主要由2共軸旋翼提供，飛行器的姿態調整由4副旋翼控制。六旋翼飛行器可以通過調節各電機的轉速來改變牽引力的大小，實現飛行姿態與航向的控制。雙余度六旋翼旋翼系統具有體積小、重量輕、負載大、穩定性高和安全可靠等特點。GPS定位系統和GSM通訊模塊有效解決了三棲探測飛行器與搭載的各探測模塊保持正常通訊、地面多功能維護站與三棲探測飛行器的交互問題三棲探測飛行器的交互問題。創新提出可控航海板和海陸一體輪，大大減輕了三棲探測飛行器的質量，使得三棲探測飛行器可以搭載更多的探測設備，適用環境顯著增強，大大提升了其整體性能。機載電池使用格氏ACE 22000mah 25C 6S 22.2V鋰電池，該電池具有工作電壓高、能量密度大、自放電率低等顯著優點，使得三棲探測飛行器持續續航得到了保障。

三棲探測飛行器的設計不僅要在三棲條件下作業，同時要做好各種惡劣條件下緊急迫降情況。故三棲探測飛行器的設計采用兩套獨立的系統，其核心處理器分別是MSP430單片機和雙余度飛控，通過GSM和GPS與地面實現通訊交互，三棲探測飛行器采用直流無刷電機為系統提供有力保障，可收縮航海板的控制由MSP430單片機串口通訊控制，可實現在水中探測時展開，在空中、陸地探測時收縮，達到減小阻力的目的。另外在三棲探測飛行器的中控單元下方、航海板的上方留有搭載各種探測元器件的空隙。綜上三棲探測飛行器可執行可以執行垂直起降、懸停、前向飛行、側向飛行、逆向飛行、360度旋轉、水中前進、水中后退、水中側轉彎、水中逆轉彎等特動作，這些動作適合待測區域現場復雜的地形和地勢特點，使得三棲探測飛行器具有較強的生存能力，以及準確數據傳輸能力。

圖2 地面多功能維護站實物圖

圖3 系統軟件流程

2.地面多功能維護站的設計

地面多功能維護站主要解決（下轉第166頁）（上接第162頁）待探測區域戶外信號差、作業時間短、難以持續探測的問題，因此地面多功能維護站設有MFD-12信號加強器和一套可充電太陽能供電系統。同時可充電太陽能供電系統整合了無線充電模塊，可實現無線充電，達到持續續航的目的。其實物圖見圖2。

另外地面多功能維護站有專門的數據控制區，主要有發射端和接收端及數據處理器組成，可實現地面多功能維護站對三棲探測飛行器的控制和對三棲探測飛行器采集數據的處理。地面多功能維護站結合三棲探測飛行器組成的可續航三棲探測飛行器系統，使得三棲探測飛行器執行任務有了根本性保障，可以更好地完成任務。

（二）系統軟件的設計

多功能地面維護站根據需要根據偵查任務所涉及領域，下達三棲狀態切換命令，選擇三棲狀態。當作業領域在湖泊和陸地時，維護站控制區通過GSM模塊給MSP430單片機下達命令，遙控海陸空三棲飛行器打開和關閉航海板，海陸空三棲飛行器通過語音模塊、紅外線傳感器采集數據，再通過GSM傳回維護站數據處理區;當作業領域是空中時，通過維護站控制區給六旋翼雙余度飛控下達起飛命令，海陸空三棲飛行器垂直起飛進入工作狀態，攝像頭采集數據，并實時將靜態圖片通過圖傳設備傳回維護站數據處理區。可續航三棲探測飛行器正常返航時，地面維護站完成充電，繼續探測。當三棲探測飛行器發生故障時，自動返航，地面維護站進行檢修。多功能地面維護站還設有信號加強區，不會出現因信號弱或無而導致的失控現象。圖3為系統軟件流程。

三、結論

本文設計的可續航三棲飛行器系統，不同于以往傳統的產品，采用旋翼升力作為三棲探測飛行器的飛行動力，可垂直起降，高空作業，且低耗能;創新采用海陸一體輪，及可收縮航海板，故結構簡單，自重較輕，且有效避免了阻力過大問題;另采用六旋翼雙余度飛控，操作簡單且更加平穩安全可靠;最后地面多功能維護站的設計制作，有效避免了戶外作業信號弱，不能持續續航的問題。本系統可深入險區，傳遞實時準確數據，有效地減少了人員傷亡。

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基金項目：濱州學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201410449012）。

作者簡介：

徐文強（1993—），男，山東濰坊人，現就讀于濱州學院。

柳明（1980—），男，哈爾濱工業大學工學博士，濱州學院副教授，主要研究方向：組合導航。

李海龍（1993—），男，山東菏澤人，現就讀于濱州學院。