具有聲光系統的無人機的應用

張維迪 黃漢強 賴明治 蒙祥達

[摘? ? 要]針對現有的傳統無人機存在的搜救作業效率低下和容易發生二次傷害等不足，研究了一款增添了聲光系統的新式無人機——戶外小精靈，主要討論了戶外小精靈的應用。以一系列具體的實例為主，通過與傳統無人機在事件中的應用作對比，從而展現出戶外小精靈的優勢。

[關鍵詞]無人機;戶外小精靈;搜救;聲光系統

[中圖分類號]TP751 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）10–00–03

Application of Unmanned Aerial Vehicle With Acousto-optic System

Zhang Wei-di，Huang Han-qiang，Lai Ming-zhi，Meng Xiang-da

[Abstract]Aiming at the inefficiency of search and rescue operation and the vulnerability to secondary damage， a new unmanned aerial vehicle （UAV）——Outdoor elf. This paper mainly discusses the application of outdoor elves. A series of concrete examples are used to show the advantages of outdoor elves by comparing with the traditional UAV in the event.

[Keywords]UAV; Outdoor elf; search and rescue; sound and light system

1 無人機的利用現狀

1.1 現狀

無人機是一種不載人的，可重復利用以及具有自主飛行能力的新型飛行器，隨著當前高新技術的迅猛發展，無人機在科研及監測方面的應用也十分廣泛，憑借無人機攜帶高分辨率攝像機表現出優秀快速航測反應能力以及其體積較小便于攜帶、工作效率高、攝像頭穩定性好、機身機動性強等諸多優勢，在國土航測、影視航拍、新聞報道、農業植保、城市規劃、地質勘探、大氣探測、災難救援、國防安全等領域都表現出強烈的發展勁頭，尤其是在災難救援領域內，從512汶川大地震、大連泄油事件、義馬氣化廠爆炸事故等無人機都發揮了重要的作用。

1.2 傳統無人機的不足

無人機雖然有著很多的優勢，但是也有其缺點所在。傳統無人機的續航能力一般在20～30min之間，且其承載能力有限;傳統無人機的通信系統只限制在攝像頭畫面的傳輸，沒有喊話發聲的系統模塊;傳統無人機的不可靠性高，抗風能力相對較差，如遇大風等特殊天氣，會導致信號受到干擾，容易偏離航線，并且不易尋找;傳統無人機沒有燈光模塊，無法在較暗的環境中進行正常高效的飛行，大大限制了無人機的應用。

1.3 無人機關鍵技術

無人機關鍵技術主要包含以下幾個部分：飛行控制技術、機身結構設計技術、數據鏈技術、動力系統技術。

1.3.1 飛行控制技術

自飛控系統誕生以來，飛控系統就是直接影響飛行品質的關鍵系統，飛行控制律的設計又是飛控系統的核心技術。下面簡介幾種控制方法：

1.3.1.1? PID控制

PID控制器是最早實用化，目前應用最為廣泛的控制器。PID控制器簡單易懂，主要由比例控制、積分控制與微分控制組成，在使用中并不需要精確地數學模型且只需要設定三個參數，更具有可靠性、魯棒性好等優點。但是隨著被控制對象（無人機等）愈加復雜，單一PID應用的局限性越來越明顯，比如傳統PID參數確定復雜、難以適應非線性控制系統、抗干擾性能差等。因此隨著智能算法與計算機技術的不斷進步，一些復合PID控制器應運而生。

1.3.1.2? 魯棒控制

1972年，Davison首次提出了魯棒控制。魯棒性是指控制系統的健壯性。用以表示控制系統對特性或者參數擾動的不敏感性，是異常或危險情況下系統生存的關鍵。相應的，魯棒控制就是指一個以提高控制算法可靠性為主要目標的控制器設計方法。但是由于魯棒控制一般工作在系統的較差狀態下，因此也會造成系統穩態精度較差的問題，控制器階數過高，控制系統過于復雜也是其一大缺點。

1.3.1.3? 動態逆控制

動態逆方法是反饋線性化方法中的一種，屬于偽線性系統。其基本思想是利用全狀態反饋抵消原系統中的非線性特性，用偽線性系統來描述輸入輸出之間的關系，從而利用線性控制律對新系統進行控制，線性控制律和非線性反饋律也就是最終的非線性控制系統。動態逆控制能夠滿足大迎角、超機動等非常規控制要求，但是其對建模精確度要求極高，建模誤差的存在將影響其控制性能，甚至是惡化。而通過與其他控制方法結合可以很大程度上改善這一問題。

1.3.1.4? 反步控制

反步法，又稱反演設計法，是一種非線性系統自適應控制器的設計方法。該方法以用若干個子系統來代替復雜的高維非線性系統為基本思想，通過反向遞推各子系統的Lyapunov函數，設計控制器，實現系統的全調節或跟蹤，最終達到期望的性能指標。該方法可以有效地利用非線性系統本身固有的非線性特性，保持全局的穩定性，使得控制效果得到極大地提升。

1.3.1.5? 滑膜變結構控制

變結構控制的思想主體內容為滑膜變結構控制。其設計思想為：控制器根據系統輸出變化，按照一定的內部反饋控制結構，使系統狀態從狀態空間中的任一點向滑膜面收斂，并在滑模面上滑動，最終達到平衡點。該控制器的設計核心在于滑平面的選取與切換函數的設計。滑膜變結構控制魯棒性較強，對模型誤差、參數不確定性和外部干擾反應遲鈍。但其也存在一個固有缺點——外界干擾與系統慣性帶來的沿滑模面的高頻抖動。滑模面的選取在一定程度上可以解決這一問題，因此這也成為滑膜變結構控制器設計過程中的一大難點。

1.3.2 機體結構設計技術

無人機結構設計是無人機總體設計中的重要一環，總的來說，相對于有人機，無人機機體結構設計技術主要具有以下幾個特點：

（1）結構設計中各種安全系數的閾值普遍偏低。無人機由于不需要考慮飛行員的安全問題，主體結構設計較為簡潔明確，降低了對機體安全裕度的控制要求。

（2）機體結構設計模塊化、整體化程度高。擺脫有人機的諸多限制，無人機機體結構的模塊化與整體化更進一步。將細小零件整合設計，減少結構的連接件、緊固件，可以減少結構集中應力區域數量，同時也可以保證結構強度與剛性特性的連續性，增強了機體結構可靠性。

（3）載荷艙設計所占比重增大。無人機的載荷決定了其所能完成的任務種類以及效果。

2 聲光無人機設計

2.1 燈光設計

2.1.1 燈光介紹

LED，俗稱發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電能轉化為光能。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片附在一個支架上，一端是負極，另一端是連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。

2.1.2 發光原理

當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，會在P-N結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。由P型半導體和N型半導體組成的晶片，通過發光核心的過渡層使其少數載流子與多數載流子復合，產生多余的能量并以光的形式釋放出來，從而使燈光裝置發光。

2.2 聲控設計

2.2.1 發生功能

在高層建筑輕生現場以及引導人員疏散等救援現場，經常由于現場車輛人員擁擠，聲音嘈雜。導致救援人員使用的擴音器的效用降低。此時，使用無人機可以實現現場的高空喊話增強被救助者的信心，提高救援的效率。

2.2.2 調試過程

成焊接成功以后，在安全的情況下插入儲存卡，調試電位器。看有無其他雜音。確定雙聲道輸出音質正常后，拔出儲存卡。安裝電池板。在焊接未成功的情況下，仔細使用萬用表檢測電路有無短（斷）路情況，以及檢查各元器件正負板有無接反情況。之后將該裝置安裝在飛控上方的機架上，并且接通手機藍牙，對手機進行喊話，聲音從無人機的發聲裝置傳出，成功發聲。

2.3 設計流程

圖1為聲光無人機設計流程，四旋翼無人機的基本系統;由控制系統、動力系統、攝像系統以及機架構成，其中還包括燈管裝置、聲音裝置以及操控裝置。

3 應用實例

（1）隨著無人機行業的蓬勃發展，特別是在測繪領域內，無人機的應用越來越普遍，但是使用傳統無人機時難免會出現一些技術及設備方面的問題。在使用GPS追蹤定位中，無人機主要用于遠距離的作業。使用傳統無人機進行追蹤定位時，無人機的升空距離有限，飛行條件苛刻，如果進行超視距作業，則會超出數據的有效通信范圍或者受到遮擋而中斷數連接，從而導致飛控信號中斷無法實時監控無人機的位置，且發生意外情況下無法獲取無人機的位置，使得搜尋任務難度較大。

本文設計研制的具有聲光裝置功能的四旋翼無人機——戶外小精靈，能夠有效實現無人機位置的實時獲取和回傳，使用戶可在手持設備端或管理中心直觀監管飛機動態。在進行超視距作業時，可以通過控制聲光裝置進行發光發聲，有效定位無人機的位置，實時監控無人機的情況等。并且能夠解決判別作業環境，無人機故障丟失后難以尋找等問題。此外，還可以利用本文設計的具有聲光裝置的無人機結合衛星定位，基站定位，通訊網絡等技術的結合實現無人機的實時追蹤和手機定位，并且可以搭建無人機追蹤系統平臺等等。

（2）2020年1月全國新冠肺炎疫情爆發以來，各地通過無人機進行防疫物資配送、城市鄉村疫情巡查、抗疫專門醫院建設等方式，第一次將無人機作業全面應用于國家公共應急防疫中，實現多領域的“無接觸”運行，提高了防疫工作效率，減少了因人員聚集和接觸帶來的病毒擴散。此外無人機作業還多應用于搜救等公共服務中。

①大多數自然災害及突發事故現場的環境復雜多變，大型的偵查搜救設備無法進入，為有效保障搜救人員的安全，在搜救作業時通常使用無人機對現場進行勘察。使用傳統無人機進行搜救勘察，仍然存在一些弊端，例如無法檢測到障礙物下的受難人員，無法在夜晚進行緊急搜救等等。

戶外小精靈是具有聲光裝置的無人機可以有效解決此類問題，還可基于此類無人機搭載生命探測等特殊設備，形成空中搜救探測體系，有利于更高效準確的展開搜救，減少不必要的傷亡。

②實驗：在一個事故高發且交通擁堵的高架橋發生一起嚴重的交通事故，且由于交通事故而導致高架擁堵，大量汽車被困于道路上。為防止交通癱瘓，受傷人員危及生命，此時啟用無人機進行空中喊話疏通道路。遙控人員對遙控進行喊話后，聲音立即從無人機上的發聲模塊發出，音量適中，喊話內容清晰。交通管理人員通過對無人機視角下各個車輛以及道路的分布情況，通過喊話對車輛進行有效疏通，進而高效的解決交通事故。

4 應用前景

4.1 山林搜救

在不通電的山林地區進行夜間野外復雜地形的移動時，無人機的燈光裝置可以通過照明，可獲取山區森林的基本面貌，在夜晚進行搜救作業，并且對現場進行喊話，讓搜救人員能夠在黑暗的地區快速安全的通過，使得被困人員能夠更快的被搜救人員找到，提升了夜間突發事件和搜救的處置能力和效率。

4.2 災情傳遞

在大范圍的地區發生自然災害時，戶外小精靈的發聲喊話裝置可以及時傳遞災情，保障救災的指揮調度，滿足災區民眾的聯絡需求，同時可以進行喊話向公眾廣播。

4.3 礦區監管

戶外小精靈具有聲音裝置的優勢，無需接觸危險區就可以獲取陡峭山坡的周邊環境信息，觀測礦區山體的勘探情況與滑坡情況，從而遠程對礦區工人進行高空喊話作業，確保對礦區的開發能夠安全有效的進行。

5 結束語

無人機是是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。本文通過對聲光系統無人機進行了設計，并對其應用實例進行了分析，提出了本設計無人機應用前景。

參考文獻

[1] 張挺.美國軍用無人機發展概述[J].電光系統，2013（3）：17-22.