论文部分内容阅读
[摘 要]近年来，自然灾害和人为灾害频发，导致受灾人员被困、灾区地形复杂且环境险恶、救援人员难以及时进入现场营救、救援压力增大。为了减轻救援人员压力，保证受灾人员的生命安全，就需要在第一时间了解灾区环境并通过研究分析，制定出最合理的救援方案。在通过现有的救援方法的各种利弊后，提出本文的多位一体勘探救援飞行器方案。
[关键词]多位一体 飞行器 机械设计 控制
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0321-02
引言
在自然灾害发生后的一些恶劣环境堪测救援中，因情况不明而导致许多灾害发生区救援队伍和救援工具在第一时间内无法进入灾害区进行勘测和开展救援的情况，因此使许多地区没有得到及时的救援而遭受了巨大的损失。所以，怎样能够有效地获取这些恶劣环境中的状况和信息而及时开展救援行动是当今应对自然灾害急需要解决的难题。而研发基于现代科技技术多位一体地质灾害勘探救援的飞行器，正是应对在恶劣环境中无法获取重要信息情况的有效工具。在整个勘测救援飞行器装置上搭载GPS模块、全息照相、信号接收器、生命探测仪、无线传送等一体探测装置，使其总体占据空间保持在0.125m^3之内，整体机身重量2kg左右。能够很好的适应人为情况达不到的勘测情况，大大提高的了应对救援效率，降低在救援过程中发生的人员或是物品的损失程度。
一、飞行器概述
1.1 机身结构
飞行器由机架，螺旋桨，电机，云台和相机，控制电路等部分组成。
机架：机架部分采用蜂鸟航模全折叠式四轴飞行器机架，轴距570mm，碳纤维材料。
电动机：无刷电机，DJI3510提供飞行器的动力支持。
电池：电池采用大疆4500mAh，LiPo6s，26.3V，TB47D型号高智能性电池。
云台：三轴（俯仰，横滚，偏航），可转控范围是俯仰-90°至+30°。
相机：1276万像素，FOV 94°20mm（35mm格式等效）f/2.8对焦点无穷远的镜头，配有1/2.3”CMOS的传感器，ISO范围100-3200（视频），100-1600（照片）。
遥控：可用专用遥控器，控制频率在5.725GHz 5.825GHz，控制距离达1200m，在无遮挡的环境下飞行高度可达120m，灵敏度FCC：19dBm，CE：14dBm，控制通道可用平板電脑或手机。
1.2 控制设计
四翼无人机硬件包括以下几个部分：机体平台、系统初始化模块传感器数据采集模块、数据处理模块、导航模块、控制模块、无线通信模块（图1）。
软件系统各模块的主要功能介绍如下：
（1）系统初始化模块：包含软件系统初始化和硬件系统初始化两部分。
（2）传感器数据采集模块：主要功能是获取传感器发送的有效数据。正确设置相关外设，使系统传感器可以持续、正常的运行。
（3）数据处理模块：起到各模块的衔接作用，例如A/D采样的滤波、字符串与整形和浮点型之间的互换、数字罗盘的信息提取等等。
（4）导航模块：通过导航算法，将传感器数据转化为导航数据，为控制器提供系统控制所需的位姿信息。
（5）控制模块：控制器的软件核心，包含控制系统主要算法。
（6）无线通讯模块：负责控制系统和上位机或其他设备的通信。
随着芯片技术的发展，单片CPU的处理速度和处理能力正在逐渐增强，其中德州仪器（TI）的DSP正在越来越多地应用与各个领域。尤其是F28XXX系列的DSP非常适合运动控制，它含有丰富的外设、几十种中断响应、脉宽输出、光电编码接口、多种通信接口等等。因此本文选用DSP作为核心控制器。另外DSP含有上百KB的片上FLASH，一般规模的控制程序都可以写进FLASH而不需要内存扩展。为了简化系统，数据处理模块也由DSP来承担，而不单独使用其他的芯片实现。
由以上内容可知，四旋翼无人机控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系统（2）惯性测量单元（IMU）（3）数字罗盘（4）无线通讯模块（5）电源模块（6）执行机构（7）超声波传感器。
1.3 飞行器性能
二、研究内容
为提高勘测器的高效和易于控制，将采用中央集成系统作为核心控制单元对整个飞行器进行控制，由无线传输装置对采集到的信息远程反馈到控制终端。信息采集装置则主要依靠安装在飞行器前端和底部的感应器与摄像头等，飞行勘测器的实时位置控制由其上搭载的GPS模块提供。
2.1 无线通讯模块
目前，无线通信领域主要包括3G、TD-LTE-Advanced、WiMax、UWB、Wi-Fi以及RFID等几大技术热点。
其中，短距离无线通信领域主要运用了UWB（超宽带）和RFID（射频识别）技术，并且物联网的核心技术是RFID，在物联网逐渐发展的今天无疑将成为无线通信的主流部分；Wi-Fi技术主要用于解决无线局域网的相关问题，可以在公共场所提供方便的“热点”接入。考虑到小型无人机的操作便捷性，无人机上目前多用Wi-Fi作为无线通信的主要方式。
2.2 定位系统
2.2.1 GPS的组成
GPS空间卫星星座：21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的系统，均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角是55°。GPS卫星可以产生两组不同电码，一组称为C/A码，另一组为P码。
地面控制部分：主控站，5个全球监测站和3个地面控制站。监测站均配装有精密的仪器，铯钟和接收机。监测站将所接收到的卫星观测数据处理后传送到主控站，最后将最终数据传送到地面控制站。 GPS用户设备：GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等。
2.2.2 GPS的工作原理
GPS通过测量用户接收机到某一卫星的距离来确定该用户的位置。而这种测量方式存在接收误差、无线电信号经过电离层和对流层的延迟而导致测量误差，所以这样测得的距离称为伪距。
伪距的计算公式：
（1）
其中，表示信号发射时刻的卫星位置矢量；表示观测时的接收机工作矢量；c表示光速；表示接收机时钟相对于GPS时的超前量；表示卫星时钟相对于GPS时的超前量。
在未来，基于视觉定位的控制定位系统将会在无人机的定位中占主流地位。视觉定位采用SLAM算法，利用多种传感器感知室内环境和障碍物的位置使得无人机巧妙自行避开障碍物。在塌方，室内着火或其他狭小空间里能够准确获知伤员所在位置。现在基于视觉定位的研究方向大多为利用光流传感器或粒子滤波对于飞行器的位姿估计，使得在SLAM无法控制无人机时仍能准确捕捉无人机的位置和速度。而图像跟踪地位易于远离受灾地区控制无人机，若基于射频的主动视觉传感器能够装载于无人机上，无人机将能够实现全天候操作，无论天气情况都将能够及时获取高清晰图像。
2.3 红外热成像
2.3.1 红外热成像系统
红外光学最初被称之为军事光学，由于红外探测技术可以实现在黑暗中探测目标、保密通讯的特点，首先被广泛应用于军事领域。到20世纪70年代以后，由于民用需求急剧的上升，加之科学技术的大力发展，红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学等各个领域。红外热成像系统是把红外探测器作为核心器件，通过外部电路对事物进行图像采集并经过一系列图像处理算法最终将其显示出来的系统1。
2.4 全息影像
全息摄影就是在摄影的同时将上述两类信息同时记录来实现的。采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光強度，也记录了位相信息。与普通的摄影技术相比，全息摄影技术记录了更多的信息，因此容量比普通照片信息量大得多（百倍甚至千倍以上）。
全息影像的显示，则是通过光源照射在全息图上，这束光源的频率和传输方向与参考光束完全一样，就可以再现物体的立体图像。观众从不同角度看，就可以看到物体的多个侧面，只不过看得见摸不到，因为记录的只是影像。
目前最常用的光源是投影机，因为一来光源亮度相对稳定，二来，投影机还具有放大影像的作用，作为全息展示非常实用。
三、结论
该项目的开发，降低了在不明情况下开展救援活动所发生的不必要的损失，加快了第一救援时间。其体积小，重量轻，操作简单，易于控制，具有很强的机动性，是提高救援效率，节省时间和降低损失提供了一种有效工具。并且随之不断的深入研发，应用的领域也会不断拓展，多位一体的勘测飞行器的研发将会有广阔社会前景。
参考文献
[1] 庞庆霈.四旋翼飞行器的设计与稳定控制研究[D].合肥：中国科技大学，2011.
[2] 孙雨，华南理工大学，小型无人机通信系统的研究与构建，2011.5.
[3] 孟佳东.赵志刚.小型四旋翼无人机建模与控制仿真[J].兰州交通大学学报.
[关键词]多位一体 飞行器 机械设计 控制
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0321-02
引言
在自然灾害发生后的一些恶劣环境堪测救援中，因情况不明而导致许多灾害发生区救援队伍和救援工具在第一时间内无法进入灾害区进行勘测和开展救援的情况，因此使许多地区没有得到及时的救援而遭受了巨大的损失。所以，怎样能够有效地获取这些恶劣环境中的状况和信息而及时开展救援行动是当今应对自然灾害急需要解决的难题。而研发基于现代科技技术多位一体地质灾害勘探救援的飞行器，正是应对在恶劣环境中无法获取重要信息情况的有效工具。在整个勘测救援飞行器装置上搭载GPS模块、全息照相、信号接收器、生命探测仪、无线传送等一体探测装置，使其总体占据空间保持在0.125m^3之内，整体机身重量2kg左右。能够很好的适应人为情况达不到的勘测情况，大大提高的了应对救援效率，降低在救援过程中发生的人员或是物品的损失程度。
一、飞行器概述
1.1 机身结构
飞行器由机架，螺旋桨，电机，云台和相机，控制电路等部分组成。
机架：机架部分采用蜂鸟航模全折叠式四轴飞行器机架，轴距570mm，碳纤维材料。
电动机：无刷电机，DJI3510提供飞行器的动力支持。
电池：电池采用大疆4500mAh，LiPo6s，26.3V，TB47D型号高智能性电池。
云台：三轴（俯仰，横滚，偏航），可转控范围是俯仰-90°至+30°。
相机：1276万像素，FOV 94°20mm（35mm格式等效）f/2.8对焦点无穷远的镜头，配有1/2.3”CMOS的传感器，ISO范围100-3200（视频），100-1600（照片）。
遥控：可用专用遥控器，控制频率在5.725GHz 5.825GHz，控制距离达1200m，在无遮挡的环境下飞行高度可达120m，灵敏度FCC：19dBm，CE：14dBm，控制通道可用平板電脑或手机。
1.2 控制设计
四翼无人机硬件包括以下几个部分：机体平台、系统初始化模块传感器数据采集模块、数据处理模块、导航模块、控制模块、无线通信模块（图1）。
软件系统各模块的主要功能介绍如下：
（1）系统初始化模块：包含软件系统初始化和硬件系统初始化两部分。
（2）传感器数据采集模块：主要功能是获取传感器发送的有效数据。正确设置相关外设，使系统传感器可以持续、正常的运行。
（3）数据处理模块：起到各模块的衔接作用，例如A/D采样的滤波、字符串与整形和浮点型之间的互换、数字罗盘的信息提取等等。
（4）导航模块：通过导航算法，将传感器数据转化为导航数据，为控制器提供系统控制所需的位姿信息。
（5）控制模块：控制器的软件核心，包含控制系统主要算法。
（6）无线通讯模块：负责控制系统和上位机或其他设备的通信。
随着芯片技术的发展，单片CPU的处理速度和处理能力正在逐渐增强，其中德州仪器（TI）的DSP正在越来越多地应用与各个领域。尤其是F28XXX系列的DSP非常适合运动控制，它含有丰富的外设、几十种中断响应、脉宽输出、光电编码接口、多种通信接口等等。因此本文选用DSP作为核心控制器。另外DSP含有上百KB的片上FLASH，一般规模的控制程序都可以写进FLASH而不需要内存扩展。为了简化系统，数据处理模块也由DSP来承担，而不单独使用其他的芯片实现。
由以上内容可知，四旋翼无人机控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系统（2）惯性测量单元（IMU）（3）数字罗盘（4）无线通讯模块（5）电源模块（6）执行机构（7）超声波传感器。
1.3 飞行器性能
二、研究内容
为提高勘测器的高效和易于控制，将采用中央集成系统作为核心控制单元对整个飞行器进行控制，由无线传输装置对采集到的信息远程反馈到控制终端。信息采集装置则主要依靠安装在飞行器前端和底部的感应器与摄像头等，飞行勘测器的实时位置控制由其上搭载的GPS模块提供。
2.1 无线通讯模块
目前，无线通信领域主要包括3G、TD-LTE-Advanced、WiMax、UWB、Wi-Fi以及RFID等几大技术热点。
其中，短距离无线通信领域主要运用了UWB（超宽带）和RFID（射频识别）技术，并且物联网的核心技术是RFID，在物联网逐渐发展的今天无疑将成为无线通信的主流部分；Wi-Fi技术主要用于解决无线局域网的相关问题，可以在公共场所提供方便的“热点”接入。考虑到小型无人机的操作便捷性，无人机上目前多用Wi-Fi作为无线通信的主要方式。
2.2 定位系统
2.2.1 GPS的组成
GPS空间卫星星座：21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的系统，均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角是55°。GPS卫星可以产生两组不同电码，一组称为C/A码，另一组为P码。
地面控制部分：主控站，5个全球监测站和3个地面控制站。监测站均配装有精密的仪器，铯钟和接收机。监测站将所接收到的卫星观测数据处理后传送到主控站，最后将最终数据传送到地面控制站。 GPS用户设备：GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等。
2.2.2 GPS的工作原理
GPS通过测量用户接收机到某一卫星的距离来确定该用户的位置。而这种测量方式存在接收误差、无线电信号经过电离层和对流层的延迟而导致测量误差，所以这样测得的距离称为伪距。
伪距的计算公式：
（1）
其中，表示信号发射时刻的卫星位置矢量；表示观测时的接收机工作矢量；c表示光速；表示接收机时钟相对于GPS时的超前量；表示卫星时钟相对于GPS时的超前量。
在未来，基于视觉定位的控制定位系统将会在无人机的定位中占主流地位。视觉定位采用SLAM算法，利用多种传感器感知室内环境和障碍物的位置使得无人机巧妙自行避开障碍物。在塌方，室内着火或其他狭小空间里能够准确获知伤员所在位置。现在基于视觉定位的研究方向大多为利用光流传感器或粒子滤波对于飞行器的位姿估计，使得在SLAM无法控制无人机时仍能准确捕捉无人机的位置和速度。而图像跟踪地位易于远离受灾地区控制无人机，若基于射频的主动视觉传感器能够装载于无人机上，无人机将能够实现全天候操作，无论天气情况都将能够及时获取高清晰图像。
2.3 红外热成像
2.3.1 红外热成像系统
红外光学最初被称之为军事光学，由于红外探测技术可以实现在黑暗中探测目标、保密通讯的特点，首先被广泛应用于军事领域。到20世纪70年代以后，由于民用需求急剧的上升，加之科学技术的大力发展，红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学等各个领域。红外热成像系统是把红外探测器作为核心器件，通过外部电路对事物进行图像采集并经过一系列图像处理算法最终将其显示出来的系统1。
2.4 全息影像
全息摄影就是在摄影的同时将上述两类信息同时记录来实现的。采用激光作为照明光源，并将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束经被摄物的反射后再射向感光片。两束光在感光片上叠加产生干涉，感光底片上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光強度，也记录了位相信息。与普通的摄影技术相比，全息摄影技术记录了更多的信息，因此容量比普通照片信息量大得多（百倍甚至千倍以上）。
全息影像的显示，则是通过光源照射在全息图上，这束光源的频率和传输方向与参考光束完全一样，就可以再现物体的立体图像。观众从不同角度看，就可以看到物体的多个侧面，只不过看得见摸不到，因为记录的只是影像。
目前最常用的光源是投影机，因为一来光源亮度相对稳定，二来，投影机还具有放大影像的作用，作为全息展示非常实用。
三、结论
该项目的开发，降低了在不明情况下开展救援活动所发生的不必要的损失，加快了第一救援时间。其体积小，重量轻，操作简单，易于控制，具有很强的机动性，是提高救援效率，节省时间和降低损失提供了一种有效工具。并且随之不断的深入研发，应用的领域也会不断拓展，多位一体的勘测飞行器的研发将会有广阔社会前景。
参考文献
[1] 庞庆霈.四旋翼飞行器的设计与稳定控制研究[D].合肥：中国科技大学，2011.
[2] 孙雨，华南理工大学，小型无人机通信系统的研究与构建，2011.5.
[3] 孟佳东.赵志刚.小型四旋翼无人机建模与控制仿真[J].兰州交通大学学报.