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)境險惡、救援人員難以及時進(jìn)入現(xiàn)場營救、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 控制

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)救援隊伍和救援工具在第一時間內(nèi)無法進(jìn)入災(zāi)害區(qū)進(jìn)行勘測和開展救援的情況，因此使許多地區(qū)沒有得到及時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開展救援行動是當(dāng)今應(yīng)對自然災(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。在整個勘測救援飛行器裝置上搭載GPS模塊、全息照相、信號接收器、生命探測儀、無線傳送等一體探測裝置，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)不到的勘測情況，大大提高的了應(yīng)對救援效率，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。

電動機(jī)：無刷電機(jī)，DJI3510提供飛行器的動力支持。

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

云臺：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

四翼無人機(jī)硬件包括以下幾個部分：機(jī)體平臺、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)用與各個領(lǐng)域。尤其是F28XXX系列的DSP非常適合運(yùn)動控制，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整個飛行器進(jìn)行控制，由無線傳輸裝置對采集到的信息遠(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，飛行勘測器的實時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個全球監(jiān)測站和3個地面控制站。監(jiān)測站均配裝有精密的儀器，銫鐘和接收機(jī)。監(jiān)測站將所接收到的衛(wèi)星觀測數(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（如計算機(jī)）等。

2.2.2 GPS的工作原理

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

偽距的計算公式：

（1）

其中，表示信號發(fā)射時刻的衛(wèi)星位置矢量；表示觀測時的接收機(jī)工作矢量；c表示光速；表示接收機(jī)時鐘相對于GPS時的超前量；表示衛(wèi)星時鐘相對于GPS時的超前量。

在未來，基于視覺定位的控制定位系統(tǒng)將會在無人機(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?，F(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于飛行器的位姿估計，使得在SLAM無法控制無人機(jī)時仍能準(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)，由于紅外探測技術(shù)可以實現(xiàn)在黑暗中探測目標(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，紅外探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。紅外熱成像系統(tǒng)是把紅外探測器作為核心器件，通過外部電路對事物進(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將上述兩類信息同時記錄來實現(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側(cè)面，只不過看得見摸不到，因為記錄的只是影像。

目前最常用的光源是投影機(jī)，因為一來光源亮度相對穩(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用。

三、結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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