基于四旋翼無(wú)人機(jī)的水空兩棲新型飛行器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

龍振超 孟子涵 張宏偉

摘? 要：通過(guò)開(kāi)展對(duì)兩棲飛機(jī)和四旋翼無(wú)人機(jī)的研究，提出一種以旋翼和螺旋槳提供動(dòng)力快速靠近待救人員并將其救起的水空兩棲水上救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)主要有飛行控制、無(wú)線通信、遠(yuǎn)程遙控、圖像識(shí)別、動(dòng)力、電源等六部分組成。

關(guān)鍵詞：水空兩棲;四旋翼無(wú)人機(jī);水上救援;圖像識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）23-0054-03

Abstract： Through the research on amphibious aircraft and four-rotor UAV， a design scheme of water-air amphibious waterborne rescue robot powered by rotor and propeller is proposed. The design is mainly composed of six parts： flight control， wireless communication， remote control， image recognition， power and electricity supply.

Keywords： water-air amphibious; four-rotor UAV; waterborne rescue; image recognition

1 概述

我國(guó)擁有眾多的江河湖泊和漫長(zhǎng)的海岸線，人們?cè)谏a(chǎn)生活的過(guò)程中不可避免地要與水接觸，因此水上事故也時(shí)有發(fā)生。基于此，市場(chǎng)上的水上救援設(shè)備層出不窮，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在應(yīng)急救援領(lǐng)域也越來(lái)越受關(guān)注。按照用途可以將其劃分為軍用、民用和消費(fèi)三種級(jí)別，其中軍用無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，特別是在偵查、打擊和救援領(lǐng)域。由于無(wú)人機(jī)具有升力大、動(dòng)力強(qiáng)、速度快、成本低、靈活性大、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此選擇無(wú)人機(jī)作為救援工具的載體并結(jié)合救生艇以此來(lái)實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)、快速救援。水空兩棲救援設(shè)備也必將成為社會(huì)發(fā)展的新趨向，對(duì)兩棲救援設(shè)備的研究必將引領(lǐng)科技創(chuàng)新領(lǐng)域的潮流。黑龍江科學(xué)雜志上曾發(fā)表過(guò)旋翼無(wú)人機(jī)在水上救援中的應(yīng)用研究一文，文中闡述了旋翼無(wú)人機(jī)在水上救援的重要意義。水空兩棲應(yīng)急救援設(shè)備的研發(fā)也為人們的安全提供了保障，為應(yīng)急救援領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有十分重要的意義[1]。

2 工作原理

水空兩棲飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，借鑒穿浪雙體船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從而減小了飛行器在水面航行時(shí)的興浪阻力，提高航行的穩(wěn)定性，同時(shí)也使載重能力得到提升。該系統(tǒng)由六臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，其中M1～M4為空中飛行用電機(jī)，主要負(fù)責(zé)為飛行器飛行提供動(dòng)力，M5～M6為水面航行用電機(jī)，主要負(fù)責(zé)為飛行器在水面航行時(shí)提供動(dòng)力，系統(tǒng)通過(guò)飛行控制器控制M1-M4四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)升力大小的變化，進(jìn)而控制飛行器的飛行速度、方向、高度等的變化，靠近待救人員。

通過(guò)飛行器上所搭載的熱成像攝像機(jī)對(duì)救援水域進(jìn)行掃描，并將圖像傳回救援人員手中，利用熱成像技術(shù)快速鎖定救援人員的位置，救援人員通過(guò)遠(yuǎn)程遙控給飛行器下達(dá)指令，使飛行器迅速降落在待救人員身邊。同時(shí)，飛行器的M1-M4電機(jī)將全部鎖死，避免對(duì)待救人員造成傷害。此過(guò)程中，仰飛、懸停等特殊的動(dòng)作是通過(guò)電調(diào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度、力矩和方向所產(chǎn)生的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。降落到待救人員身邊后，救援人員通過(guò)控制器控制尾部的螺旋槳進(jìn)而驅(qū)動(dòng)飛行器在水面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，靠近待救人員。在此過(guò)程中，由高清攝像機(jī)為操作者提供救援信息。待救人員爬上飛行器后，由感應(yīng)裝置反饋信息，操作人員控制飛行器將待救人員送至岸邊，完成救援任務(wù)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體方案如圖2所示，操作人員通過(guò)R/C控制器發(fā)出指令，指令經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送到R/C接收器，R/C接收器將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給飛行控制器STM32F407。飛行控制器對(duì)指令信息進(jìn)行解讀計(jì)算出每個(gè)電機(jī)應(yīng)該有的速度，并將信息發(fā)送給ESC（電子調(diào)速器）。ESC將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，為電機(jī)供電。電機(jī)通電后產(chǎn)生所需的推力，按照操作指令移動(dòng)飛行器。慣性測(cè)量單元IMU能夠感知飛行器在空中的姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給飛行控制器。飛行控制器根據(jù)操作者指令以及IMU（以MPU6050為例）數(shù)據(jù)通過(guò)算法運(yùn)算后控制飛行器穩(wěn)定[3]。FPV系統(tǒng)中由熱成像攝像機(jī)收集圖像信息，通過(guò)視頻發(fā)射器傳輸回來(lái)，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分析處理。并通過(guò)北斗或GPS系統(tǒng)及時(shí)確定無(wú)人機(jī)所處的位置[4]。

3.2 飛行器硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 電源供電電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)穩(wěn)壓供電電路選用的是3.3V電壓供電，由1200W功率的鋰電池輸出11.1V經(jīng)降壓至5V后再由穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V降至3.3V，輸送給傳感器、 MPU6050以 STM30F407飛控芯片、NRF2401、JTAG/SWD調(diào)試接口如圖3所示。

3.2.2 無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的無(wú)線通信選用的是Nordic公司出品的NRF2401單片射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊。STM32飛控系統(tǒng)通過(guò)NRF2401發(fā)射或接收信號(hào)與外界保持聯(lián)系并接受指令，如圖3所示。

圖像傳輸采用的是LC329模塊，是一款為工業(yè)紅外相機(jī)及無(wú)人機(jī)航拍圖像傳輸所定制的基于WIFI無(wú)線圖像傳輸模塊。能夠達(dá)到不損失畫(huà)幅，不損失幀率的要求，支持STA/AP傳輸，支持低功耗。

3.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，飛控系統(tǒng)接收到指令后，以PWM波的方式發(fā)送給電調(diào)，電調(diào)接收后經(jīng)過(guò)解算計(jì)算并輸出信號(hào)給無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)收到信號(hào)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)共計(jì)使用6個(gè)電機(jī)控制飛行器在空中及水面的動(dòng)作和狀態(tài)[5]。

3.2.4 傳感器電路的設(shè)計(jì)

如圖5所示，系統(tǒng)選用MPU-6050運(yùn)動(dòng)感測(cè)傳感器感知飛行器狀態(tài)，MPU-6050提供完整的9軸運(yùn)動(dòng)融合輸出到主I2C端口。I2C連接到飛控系統(tǒng)STM32上（SCL和SDA是連接MPU的I2C接口），從而根據(jù)飛行器的狀態(tài)來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成自我糾正[6]。

4 飛行器主程序流程圖設(shè)計(jì)

飛行器主程序流程圖如圖6所示，開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)完成初始化，電調(diào)解鎖成功STM32F407控制系統(tǒng)初始化完成，接受到指令后串口發(fā)生中斷，控制器按照指令進(jìn)行工作。在工作過(guò)程中MPU6050慣性測(cè)量單元將測(cè)量值反饋給控制系統(tǒng)，觸發(fā)串口中斷，進(jìn)行飛行姿態(tài)矯正。

5 結(jié)論

本文以水空兩棲飛行器作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)四旋翼飛行器及穿浪式雙體船的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水、空兩種運(yùn)動(dòng)方式，極大地拓展了水空兩棲應(yīng)急救援飛行器適應(yīng)環(huán)境的能力及執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性與可靠性。本文研究的飛行器共有3種運(yùn)行狀態(tài)，以水面航行狀態(tài)靠近待救者，載其駛離救援水域。由于空中飛行時(shí)通過(guò)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整姿態(tài)，所以潛水器運(yùn)動(dòng)時(shí)有六個(gè)狀態(tài)輸出，改善了潛水器在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力，提高了水上救援的效率，減少了水中意外的傷亡，為水上應(yīng)急救援工作提供了強(qiáng)有力的保障。

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