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(zāi)害和人為災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致受災(zāi)人員被困、災(zāi)區(qū)地形復(fù)雜且環(huán)境險(xiǎn)惡、救援人員難以及時(shí)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)營救、救援壓力增大。為了減輕救援人員壓力，保證受災(zāi)人員的生命安全，就需要在第一時(shí)間了解災(zāi)區(qū)環(huán)境并通過研究分析，制定出最合理的救援方案。在通過現(xiàn)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(guān)鍵詞]多位一體 飛行器 機(jī)械設(shè)計(jì) 控制

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0321-02

引言

在自然災(zāi)害發(fā)生后的一些惡劣環(huán)境堪測(cè)救援中，因情況不明而導(dǎo)致許多災(zāi)害發(fā)生區(qū)救援隊(duì)伍和救援工具在第一時(shí)間內(nèi)無法進(jìn)入災(zāi)害區(qū)進(jìn)行勘測(cè)和開展救援的情況，因此使許多地區(qū)沒有得到及時(shí)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(huán)境中的狀況和信息而及時(shí)開展救援行動(dòng)是當(dāng)今應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害急需要解決的難題。而研發(fā)基于現(xiàn)代科技技術(shù)多位一體地質(zhì)災(zāi)害勘探救援的飛行器，正是應(yīng)對(duì)在惡劣環(huán)境中無法獲取重要信息情況的有效工具。在整個(gè)勘測(cè)救援飛行器裝置上搭載GPS模塊、全息照相、信號(hào)接收器、生命探測(cè)儀、無線傳送等一體探測(cè)裝置，使其總體占據(jù)空間保持在0.125m^3之內(nèi)，整體機(jī)身重量2kg左右。能夠很好的適應(yīng)人為情況達(dá)不到的勘測(cè)情況，大大提高的了應(yīng)對(duì)救援效率，降低在救援過程中發(fā)生的人員或是物品的損失程度。

一、飛行器概述

1.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)

飛行器由機(jī)架，螺旋槳，電機(jī)，云臺(tái)和相機(jī)，控制電路等部分組成。

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

電動(dòng)機(jī)：無刷電機(jī)，DJI3510提供飛行器的動(dòng)力支持。

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

云臺(tái)：三軸（俯仰，橫滾，偏航），可轉(zhuǎn)控范圍是俯仰-90°至+30°。

相機(jī)：1276萬像素，F(xiàn)OV 94°20mm（35mm格式等效）f/2.8對(duì)焦點(diǎn)無窮遠(yuǎn)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(dá)1200m，在無遮擋的環(huán)境下飛行高度可達(dá)120m，靈敏度FCC：19dBm，CE：14dBm，控制通道可用平板電腦或手機(jī)。

1.2 控制設(shè)計(jì)

四翼無人機(jī)硬件包括以下幾個(gè)部分：機(jī)體平臺(tái)、系統(tǒng)初始化模塊傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、導(dǎo)航模塊、控制模塊、無線通信模塊（圖1）。

軟件系統(tǒng)各模塊的主要功能介紹如下：

（1）系統(tǒng)初始化模塊：包含軟件系統(tǒng)初始化和硬件系統(tǒng)初始化兩部分。

（2）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊：主要功能是獲取傳感器發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。正確設(shè)置相關(guān)外設(shè)，使系統(tǒng)傳感器可以持續(xù)、正常的運(yùn)行。

（3）數(shù)據(jù)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(diǎn)型之間的互換、數(shù)字羅盤的信息提取等等。

（4）導(dǎo)航模塊：通過導(dǎo)航算法，將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為控制器提供系統(tǒng)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(tǒng)主要算法。

（6）無線通訊模塊：負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)和上位機(jī)或其他設(shè)備的通信。

隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，單片CPU的處理速度和處理能力正在逐漸增強(qiáng)，其中德州儀器（TI）的DSP正在越來越多地應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域。尤其是F28XXX系列的DSP非常適合運(yùn)動(dòng)控制，它含有豐富的外設(shè)、幾十種中斷響應(yīng)、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(guī)模的控制程序都可以寫進(jìn)FLASH而不需要內(nèi)存擴(kuò)展。為了簡化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理模塊也由DSP來承擔(dān)，而不單獨(dú)使用其他的芯片實(shí)現(xiàn)。

由以上內(nèi)容可知，四旋翼無人機(jī)控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系統(tǒng)（2）慣性測(cè)量單元（IMU）（3）數(shù)字羅盤（4）無線通訊模塊（5）電源模塊（6）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（7）超聲波傳感器。

1.3 飛行器性能

二、研究內(nèi)容

為提高勘測(cè)器的高效和易于控制，將采用中央集成系統(tǒng)作為核心控制單元對(duì)整個(gè)飛行器進(jìn)行控制，由無線傳輸裝置對(duì)采集到的信息遠(yuǎn)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(yīng)器與攝像頭等，飛行勘測(cè)器的實(shí)時(shí)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(lǐng)域主要包括3G、TD-LTE-Advanced、WiMax、UWB、Wi-Fi以及RFID等幾大技術(shù)熱點(diǎn)。

其中，短距離無線通信領(lǐng)域主要運(yùn)用了UWB（超寬帶）和RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)，并且物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)是RFID，在物聯(lián)網(wǎng)逐漸發(fā)展的今天無疑將成為無線通信的主流部分；Wi-Fi技術(shù)主要用于解決無線局域網(wǎng)的相關(guān)問題，可以在公共場(chǎng)所提供方便的“熱點(diǎn)”接入。考慮到小型無人機(jī)的操作便捷性，無人機(jī)上目前多用Wi-Fi作為無線通信的主要方式。

2.2 定位系統(tǒng)

2.2.1 GPS的組成

GPS空間衛(wèi)星星座：21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的系統(tǒng)，均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面的傾角是55°。GPS衛(wèi)星可以產(chǎn)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(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制站。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的儀器，銫鐘和接收機(jī)。監(jiān)測(cè)站將所接收到的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)處理后傳送到主控站，最后將最終數(shù)據(jù)傳送到地面控制站。

GPS用戶設(shè)備：GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及其終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）等。

2.2.2 GPS的工作原理

GPS通過測(cè)量用戶接收機(jī)到某一衛(wèi)星的距離來確定該用戶的位置。而這種測(cè)量方式存在接收誤差、無線電信號(hào)經(jīng)過電離層和對(duì)流層的延遲而導(dǎo)致測(cè)量誤差，所以這樣測(cè)得的距離稱為偽距。

偽距的計(jì)算公式：

（1）

其中，表示信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的衛(wèi)星位置矢量；表示觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)工作矢量；c表示光速；表示接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)的超前量；表示衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)的超前量。

在未來，基于視覺定位的控制定位系統(tǒng)將會(huì)在無人機(jī)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(nèi)環(huán)境和障礙物的位置使得無人機(jī)巧妙自行避開障礙物。在塌方，室內(nèi)著火或其他狹小空間里能夠準(zhǔn)確獲知傷員所在位置。現(xiàn)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(duì)于飛行器的位姿估計(jì)，使得在SLAM無法控制無人機(jī)時(shí)仍能準(zhǔn)確捕捉無人機(jī)的位置和速度。而圖像跟蹤地位易于遠(yuǎn)離受災(zāi)地區(qū)控制無人機(jī)，若基于射頻的主動(dòng)視覺傳感器能夠裝載于無人機(jī)上，無人機(jī)將能夠?qū)崿F(xiàn)全天候操作，無論天氣情況都將能夠及時(shí)獲取高清晰圖像。

2.3 紅外熱成像

2.3.1 紅外熱成像系統(tǒng)

紅外光學(xué)最初被稱之為軍事光學(xué)，由于紅外探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在黑暗中探測(cè)目標(biāo)、保密通訊的特點(diǎn)，首先被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。到20世紀(jì)70年代以后，由于民用需求急劇的上升，加之科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，紅外探測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。紅外熱成像系統(tǒng)是把紅外探測(cè)器作為核心器件，通過外部電路對(duì)事物進(jìn)行圖像采集并經(jīng)過一系列圖像處理算法最終將其顯示出來的系統(tǒng)1。

2.4 全息影像

全息攝影就是在攝影的同時(shí)將上述兩類信息同時(shí)記錄來實(shí)現(xiàn)的。采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度，也記錄了位相信息。與普通的攝影技術(shù)相比，全息攝影技術(shù)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(xiàn)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(gè)側(cè)面，只不過看得見摸不到，因?yàn)橛涗浀闹皇怯跋瘛?/p>

目前最常用的光源是投影機(jī)，因?yàn)橐粊砉庠戳炼认鄬?duì)穩(wěn)定，二來，投影機(jī)還具有放大影像的作用，作為全息展示非常實(shí)用。

三、結(jié)論

該項(xiàng)目的開發(fā)，降低了在不明情況下開展救援活動(dòng)所發(fā)生的不必要的損失，加快了第一救援時(shí)間。其體積小，重量輕，操作簡單，易于控制，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，是提高救援效率，節(jié)省時(shí)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(fā)，應(yīng)用的領(lǐng)域也會(huì)不斷拓展，多位一體的勘測(cè)飛行器的研發(fā)將會(huì)有廣闊社會(huì)前景。

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