對安防無人機技術的探究

江超 郭凱 黃關中 謝祥平 潘陳華 管芳

【摘 ?要】據相關數據統計顯示，近年來工業無人機市場規模的增長速度非常快，國內工業無人機市場規模的增長速度基本在50%左右，全球工業無人機市場規模的增長速度每年基本在20%左右。由于無人機的高機動性的優勢和現代相關技術的發展，無人機將成為未來重點發展對象之一。同時，安防警用無人機也隨之進入市場。安防無人機將完成應急處理、活動安保、偵察搜捕、交通管理、緊急救援等任務。同時，隨著四旋翼無人機公司的興起，越來越成熟的技術給當下無人機市場的打開提供了條件。

【Abstract】According to relevant statistics， the market size of industrial UAV has been growing rapidly in recent years. The domestic market size of industrial UAV has been growing at about 50%， while the global market size of industrial UAV has been growing at about 20% every year. Due to the advantages of high maneuverability and the development of modern technology， UAV will become one of the key development objects in the future. At the same time， security and police UAV are also entering the market. The security and defense UAV will carry out tasks such as emergency processing， activity security， reconnaissance and manhunt， traffic management and emergency rescue. At the same time， with the rise of four-rotor UAV companies， more and more mature technologies provide conditions for the opening of the current UAV market.

【關鍵詞】無人機;安防;四旋翼

【Keywords】UAV; security and defense; four-rotor

【中圖分類號】TP273;V279 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）04-0178-02

1 研發背景與意義

在當下無人機新興市場下，無人機的高機動性為其在方方面面的領域提供了很大的優勢。尤其自2013年以后，無人機民用化更是刺激無人機市場，各種不同類型的無人機紛紛出品。

在國外警用無人機以形成產品鏈的同時，我們對無人機進行改造。實現無人機追蹤打擊的功能。在此基礎上，進行創業實踐。利用快速響應、時效性強等優點打開無人機安防應用市場，聯合軍方或警方，進行實驗，打開市場。

2 無人機需求分析

飛行穩定動力強，云臺響應速度快，識別目標的準確性高。

3 可行方案

3.1 動力方案

無人機動力由6個大疆E2000PRO動力系統組成，E2000PRO動力系統的電機電調進行一體化整合，適配直徑28mm的碳管，能更便捷地完成裝機，進行專業飛行。動力系統的6010 Standard/Pro電機核心的軸承系統采用了嚴格密封處理，可隔絕雨水、農藥，甚至鹽霧等液體腐蝕。E2000動力系統單軸最大拉力為5.1kg，動力強勁，載重量大，續航久，提供快速響應以及靈活的功能。由于此需要48V的電壓驅動，本方案中搭載了6塊DJI TB47D/TB48D 電池。

3.2 結構方案

采用兩軸四旋翼結構，旋翼對稱分布在機體的前、后、左、右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼結構相同，電機對稱安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和云臺設備。

四旋翼無人機為當下多旋翼無人機主流設定，操控方便、穩定性高、結構簡單，若電機、電子調速器、電池、槳和機架部分等零件損壞，也很容易替換。

3.3 電控方案

控制系統分為動力控制系統、導航控制系統以及云臺系統[1]。分別采用N3飛控、Guidance視覺傳感導航系統、STM32單片機。N3多旋翼飛控系統采用DJI大疆最新的控制導航算法，新增的內置雙IMU冗余設計，可實現數據實時互為備份，結合全新內減震結構設計，賦予飛行器高可靠性;“黑匣子”數據記錄系統為飛行性能分析提供精準數據支持，同時，對于包括 Lightbridge 2、DJI Assistant 2等在內的一系列 DJI大疆配件、高性能軟件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能導航模塊的支持，可幫助飛行器實現豐富的應用擴展。

導航控制系統由N3飛控配合Guidance實現，N3飛控通過CAN總線連接Guidance系統，進行數據處理。Guidance是一款全新的視覺傳感導航系統，可感知附近障礙物，讓飛行器主動躲避。它內置功能強大的處理核心，配備五組視覺超聲波組合傳感器，輔以先進的視覺算法，使飛行更安全、可控，不依賴GPS，可以在室內平穩飛行，大大增強了安防無人機的實用性。

云臺系統基于STM32F427單片機，搭載WT931九軸高精度陀螺儀，通過CAN總線通訊控制Pitch軸云臺電機和獲取Pitch軸云臺電機的角度和電流值，通過CAN總線與主控通訊以獲取云臺俯仰角度，通過PWM輸出控制云臺的無刷摩擦輪電機的電調和撥彈電機的轉速，通過串口獲取WT931傳感器的運動數據。根據WT931的運動數據進行卡爾曼濾波和角度融合來計算出Pitch軸的角速度，并使用PID控制算法來閉速度環。然后根據云臺電機返回的角度值并使用PID控制算法來閉位置環，進而使Pitch軸云臺準確并快速到達所需的Pitch角度。

3.4 視覺方案

視覺系統使用Jetson TX2平臺和大華工業相機，使用OpenCV對工業相機獲得的圖片進行處理，根據目標特征，對圖像中目標物體進行顏色二值化和特征匹配處理，找到目標物體，尋找到目標用tracking追蹤器對目標進行穩定追蹤，利用SVM確認是否識別正確目標。根據實時情況建立目標對象的坐標，以旋轉中心為基坐標系，可計算出各個目標的世界坐標，可進行精確定位，再計算出運動軌跡，向主控發送期待角度;串口通信線程TX2和主控相互通信，互傳數據，實現自動瞄準特定目標。

4 云臺詳細設計

4.1 云臺技術參數

云臺Yaw軸、ROLL軸采用GM6020云臺電機，便于供彈鏈路的設計。Pitch軸采用 RMD7015云臺電機，相較于GM3510云臺電機，RMD7015重量較大，轉動慣量較大，但是更大的扭矩可以更好地抑制彈丸發射導致的震動，提高射擊精度。發射機構采用無槍管的射擊，使用大疆M3508電機，KV值為 960kV，搭配C620電調， C620電調供電電壓 24V，電調20A，則電機運行轉速為n=960×24=23040rpm，定制弧形摩擦輪，在高速狀態下，對摩擦輪接觸部分的材料要求比較高，選擇不好的話可能由于離心力的作用而膨脹， 繼而造成劇烈的振動，導致發射出的子彈無論是從速度還是穩定性來說都不好。經測試，選擇的摩擦輪材料為硅膠，硬度大概為邵氏 50～60°。實測在較高的電壓下，射速浮動更小。摩擦輪發球機構由送球機構送上來的子彈經過一對旋轉方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從子彈進入開始與摩擦輪接觸到與摩擦輪分開，在此期間，排球將受到摩擦輪的摩擦力和壓力的作用，以此來完成加速過程，最終射出，動量定理的計算公式為：

f△t=m△v=m（v1-v0）

式中，v0為子彈的初速度，即進入摩擦輪時的速度;v1為子彈從摩擦輪中射出的速度。

△v=f△t/m=v1-v0

設v0=0，則v1=△v，△v與f和△t有關，m是子彈的質量，在這里是常數。實際上，增大摩擦輪的轉速和摩擦力，到了一定程度時，子彈的最終速度將不會增大，也就是△v達到了最大值，但是小于摩擦輪邊緣的線速度。

預置彈限位采用塑料限位片，壽命較短，大約在1萬發內可以保證射擊精度。經測試，最小包圍散布為56mm，實際最優情況下可以達到38mm的最小包圍散布。

4.2 云臺發射機構設計

云臺發射機構由供彈系統和發射系統組成。供彈系統通過撥彈盤電機輸送彈珠到發射系統。撥彈盤電機使用大疆M2006電機，搭配C610電調。發射系統由兩個摩擦輪電機組成，通過擠壓彈珠，完成發射過程。摩擦輪電機使用大疆M3508，搭配C620電調。發射機構整體設計的中心思想是讓彈倉的幾何中心穿過pitch軸，以及讓火線與pitch軸相交[2]。要求摩擦輪電機轉速一致，如果摩擦輪的質心不在轉動軸上或者離轉動軸很遠，此時的摩擦輪實際上是一個偏心輪。高速情況下會產生劇烈的振動，摩擦輪對稱精度必須要高，要求撥彈盤電機轉速穩定，這樣能保證子彈推入摩擦輪前狀態的一致性，有助于彈道的穩定。

4.3 云臺彈倉設計

彈倉的整體設計思想是讓彈倉的幾何中心穿過pitch軸，可以保證彈丸數量變化不會改變發射機構的重心，即不產生額外的扭矩，減輕pitch軸電機負擔，降低調試難度。采用支架結合網狀側壁結構，即可保證云臺的結構穩定，也可以減輕重量，彈倉與云臺分離，向下供彈，減少YAW軸電機負重，提高云臺響應。

5 結語

安防無人機在普通四旋翼無人機的基礎上增加了識別打擊功能，火控系統可由人或Tx2端雙向決策保證了安全性。

【參考文獻】

【1】張玉乾.無人機主動防御系統在成品油庫區的安防應用研究[J].中國石油和化工標準與質量，2019，39（22）：203-204+206.

【2】田小壯，石輝，曾慶松，等.基于圖像處理的變電站周界無人機安防巡邏系統研究[J].東北電力技術，2019，40（08）：29-31+34.