可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐文強(qiáng) 柳明 李海龍

【摘要】設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三棲探測飛行器和多功能地面維護(hù)站組成。三棲探測飛行器以MSP430單片機(jī)為核心，采用雙余度旋翼系統(tǒng)作為爬升力，以轉(zhuǎn)動(dòng)57BL52無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，搭載有GPS定位系統(tǒng)和GSM通訊系統(tǒng)，可收縮航海板和海陸一體輪直接由MSP430串口通訊 ，并可搭載多種探測裝置，具有三棲作業(yè)、垂直起降、移動(dòng)迅速和低耗能的特性。多功能地面維護(hù)站主要配置有信號加強(qiáng)裝置、可充電太陽能供電系統(tǒng)以及無線充電模塊，可解決戶外作業(yè)信號弱、作業(yè)時(shí)間短的問題。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的采集和傳遞。

【關(guān)鍵詞】三棲探測飛行器;維護(hù)站;GSM;GPS;MSP430

各類濕地保護(hù)區(qū)一般由永久性及季節(jié)性淡水沼澤地和無數(shù)小型淺水湖泊組成，棲息和繁殖大量的水禽，由于道路泥濘環(huán)境復(fù)雜，科研工作者和工作人員難以進(jìn)入，即使進(jìn)入也會(huì)干擾水禽的生活?；S及核設(shè)施發(fā)生事故后，由于空氣中大量有毒及輻射性物質(zhì)的存在，液體的大量泄漏，使得救援人員難以深入事故中心進(jìn)行勘察和救援。針對這些特殊情況，傳統(tǒng)的裝備和技術(shù)手段無法實(shí)施，因此迫切需要一種在水、陸、空各種條件下均能工作的探測設(shè)備來解決上述問題。目前國內(nèi)外也出現(xiàn)過一些具有探測功能的三棲探測飛行器，但毫無例外都以地殼飛行器為原型，并未從根本上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此類產(chǎn)品多保存小汽車的全部結(jié)構(gòu)框架，且均在汽車的車身上設(shè)有可收放的上機(jī)翼和下機(jī)翼，汽車底盤下設(shè)有氣囊，帶有螺旋漿的垂直尾翼和水平尾翼與汽車后廂活動(dòng)連接。此類飛行器存在著明顯的缺陷，因自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重較沉且反應(yīng)時(shí)間滯后、靈敏性準(zhǔn)確性差，故安全系數(shù)不高，不適合執(zhí)行各種突發(fā)狀況下的偵查與探測任務(wù)。此外該類產(chǎn)品需要長距離滑翔起飛，且能耗過大不能持續(xù)續(xù)航的問題也難以解決，因此這類設(shè)備不符合三棲探測的要求。

本文設(shè)計(jì)了可續(xù)航水、陸、空三棲探測飛行器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對上述危險(xiǎn)的或者復(fù)雜的待測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集和探測工作，并且能快速準(zhǔn)確的傳遞數(shù)據(jù)，避免人員傷亡和對生態(tài)環(huán)境的破壞。本文設(shè)計(jì)的可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)創(chuàng)新采用旋翼升力系統(tǒng)、海陸一體輪、多功能地面維護(hù)站等，可解決傳統(tǒng)的三棲探測飛行器的上述缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、質(zhì)量輕盈、靈敏度高、反應(yīng)迅速、垂直起降、惡劣條件下持續(xù)續(xù)航、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

一、可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)的需要解決的技術(shù)問題

（一）平衡穩(wěn)定性問題

首先，要解決平衡穩(wěn)定性的問題。由于三棲探測飛行器需要搭載攝像頭及各種傳感器，將實(shí)時(shí)畫面及被測參數(shù)傳遞回地面維護(hù)站數(shù)據(jù)處理區(qū)，與傳統(tǒng)工作方式存在巨大差異，要考慮的因素更多。一方面要考慮掛載攝像頭、各種傳感器后三棲探測飛行器的平衡性及穩(wěn)定性，另一方面，要保證三棲飛行器在海陸空三棲狀態(tài)下仍能適應(yīng)三棲環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)的三棲探測飛行器采用雙余度旋翼系統(tǒng)作為系統(tǒng)升力，使得該系統(tǒng)具有安全、平穩(wěn)、負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可滿足三棲探測飛行器在惡劣工作條件下的穩(wěn)定工作。

（二）環(huán)境對無線信號的干擾

其次，必須解決惡劣環(huán)境對無線控制的干擾。待探測區(qū)域多為自然環(huán)境惡劣區(qū)域或者輻射強(qiáng)度大，次聲、磁場、無線電干擾等會(huì)影響進(jìn)行操作的無線電信號。

本文設(shè)計(jì)了信號加強(qiáng)裝置，避免因信號干擾造成的三棲探測飛行器失控，影響正常飛行及數(shù)據(jù)采集傳輸。并寫入失控自動(dòng)返航程序，做好失控準(zhǔn)備，在有效獲取信息的同時(shí)切實(shí)保護(hù)三棲探測飛行器的安全。

（三）串口通訊問題

另外，本文設(shè)計(jì)的三棲探測飛行器采用多控制器系統(tǒng)協(xié)同工作，此時(shí)多機(jī)通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。

本文采用的GSM多機(jī)通訊為解決這一問題提供了技術(shù)支持。

（四）通訊問題

最后，必須解決交互問題，即要解決三棲探測飛行器與搭載的各探測模塊保持正常通訊、地面多功能維護(hù)站與三棲探測飛行器的交互問題。

本文增加GPS模塊實(shí)現(xiàn)對三棲探測飛行器的定位，來解決三棲探測飛行器行進(jìn)位置及路線的定位跟蹤;增加GSM模塊作為信息溝通的途徑，檢測到的測量數(shù)據(jù)可以通過無線傳輸方式發(fā)送到地面多功能維護(hù)站，地面多功能維護(hù)站也可通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到三棲探測飛行器，從而實(shí)現(xiàn)三棲探測飛行器與地面多功能維護(hù)站的雙向通訊;此外地面多功能維護(hù)站還配置了信號加強(qiáng)裝置，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

二、可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)主要由三棲探測飛行器及地面多功能維護(hù)站組成。整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)海、陸、空三棲作業(yè)，完成深入探測區(qū)域數(shù)據(jù)采集和信息傳遞工作。

（一）系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

1.三棲探測飛行器的設(shè)計(jì)

三棲探測飛行器的硬件主要由智能小車、雙余度六旋翼旋翼系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、GSM通訊模塊、可控航海板、海陸一體輪和高能鋰電池等成。其實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 三棲探測飛行器實(shí)物圖

智能小車以SP430單片機(jī)為核心，MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低MSP430單片機(jī)，它的功耗小、具有精簡指令集的混合信號處理器，便于處理各種混合數(shù)據(jù)，質(zhì)量輕并且便于協(xié)調(diào)各模塊關(guān)系。雙余度六旋翼旋翼系統(tǒng)作為系統(tǒng)的升力，中間為共軸主旋翼，主旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反;外側(cè)為副旋翼，相鄰2旋翼旋轉(zhuǎn)方向兩兩相反，2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。其整機(jī)升力主要由2共軸旋翼提供，飛行器的姿態(tài)調(diào)整由4副旋翼控制。六旋翼飛行器可以通過調(diào)節(jié)各電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變牽引力的大小，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)與航向的控制。雙余度六旋翼旋翼系統(tǒng)具有體積小、重量輕、負(fù)載大、穩(wěn)定性高和安全可靠等特點(diǎn)。GPS定位系統(tǒng)和GSM通訊模塊有效解決了三棲探測飛行器與搭載的各探測模塊保持正常通訊、地面多功能維護(hù)站與三棲探測飛行器的交互問題三棲探測飛行器的交互問題。創(chuàng)新提出可控航海板和海陸一體輪，大大減輕了三棲探測飛行器的質(zhì)量，使得三棲探測飛行器可以搭載更多的探測設(shè)備，適用環(huán)境顯著增強(qiáng)，大大提升了其整體性能。機(jī)載電池使用格氏ACE 22000mah 25C 6S 22.2V鋰電池，該電池具有工作電壓高、能量密度大、自放電率低等顯著優(yōu)點(diǎn)，使得三棲探測飛行器持續(xù)續(xù)航得到了保障。

三棲探測飛行器的設(shè)計(jì)不僅要在三棲條件下作業(yè)，同時(shí)要做好各種惡劣條件下緊急迫降情況。故三棲探測飛行器的設(shè)計(jì)采用兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，其核心處理器分別是MSP430單片機(jī)和雙余度飛控，通過GSM和GPS與地面實(shí)現(xiàn)通訊交互，三棲探測飛行器采用直流無刷電機(jī)為系統(tǒng)提供有力保障，可收縮航海板的控制由MSP430單片機(jī)串口通訊控制，可實(shí)現(xiàn)在水中探測時(shí)展開，在空中、陸地探測時(shí)收縮，達(dá)到減小阻力的目的。另外在三棲探測飛行器的中控單元下方、航海板的上方留有搭載各種探測元器件的空隙。綜上三棲探測飛行器可執(zhí)行可以執(zhí)行垂直起降、懸停、前向飛行、側(cè)向飛行、逆向飛行、360度旋轉(zhuǎn)、水中前進(jìn)、水中后退、水中側(cè)轉(zhuǎn)彎、水中逆轉(zhuǎn)彎等特動(dòng)作，這些動(dòng)作適合待測區(qū)域現(xiàn)場復(fù)雜的地形和地勢特點(diǎn)，使得三棲探測飛行器具有較強(qiáng)的生存能力，以及準(zhǔn)確數(shù)據(jù)傳輸能力。

圖2 地面多功能維護(hù)站實(shí)物圖

圖3 系統(tǒng)軟件流程

2.地面多功能維護(hù)站的設(shè)計(jì)

地面多功能維護(hù)站主要解決（下轉(zhuǎn)第166頁）（上接第162頁）待探測區(qū)域戶外信號差、作業(yè)時(shí)間短、難以持續(xù)探測的問題，因此地面多功能維護(hù)站設(shè)有MFD-12信號加強(qiáng)器和一套可充電太陽能供電系統(tǒng)。同時(shí)可充電太陽能供電系統(tǒng)整合了無線充電模塊，可實(shí)現(xiàn)無線充電，達(dá)到持續(xù)續(xù)航的目的。其實(shí)物圖見圖2。

另外地面多功能維護(hù)站有專門的數(shù)據(jù)控制區(qū)，主要有發(fā)射端和接收端及數(shù)據(jù)處理器組成，可實(shí)現(xiàn)地面多功能維護(hù)站對三棲探測飛行器的控制和對三棲探測飛行器采集數(shù)據(jù)的處理。地面多功能維護(hù)站結(jié)合三棲探測飛行器組成的可續(xù)航三棲探測飛行器系統(tǒng)，使得三棲探測飛行器執(zhí)行任務(wù)有了根本性保障，可以更好地完成任務(wù)。

（二）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

多功能地面維護(hù)站根據(jù)需要根據(jù)偵查任務(wù)所涉及領(lǐng)域，下達(dá)三棲狀態(tài)切換命令，選擇三棲狀態(tài)。當(dāng)作業(yè)領(lǐng)域在湖泊和陸地時(shí)，維護(hù)站控制區(qū)通過GSM模塊給MSP430單片機(jī)下達(dá)命令，遙控海陸空三棲飛行器打開和關(guān)閉航海板，海陸空三棲飛行器通過語音模塊、紅外線傳感器采集數(shù)據(jù)，再通過GSM傳回維護(hù)站數(shù)據(jù)處理區(qū);當(dāng)作業(yè)領(lǐng)域是空中時(shí)，通過維護(hù)站控制區(qū)給六旋翼雙余度飛控下達(dá)起飛命令，海陸空三棲飛行器垂直起飛進(jìn)入工作狀態(tài)，攝像頭采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將靜態(tài)圖片通過圖傳設(shè)備傳回維護(hù)站數(shù)據(jù)處理區(qū)。可續(xù)航三棲探測飛行器正常返航時(shí)，地面維護(hù)站完成充電，繼續(xù)探測。當(dāng)三棲探測飛行器發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)返航，地面維護(hù)站進(jìn)行檢修。多功能地面維護(hù)站還設(shè)有信號加強(qiáng)區(qū)，不會(huì)出現(xiàn)因信號弱或無而導(dǎo)致的失控現(xiàn)象。圖3為系統(tǒng)軟件流程。

三、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的可續(xù)航三棲飛行器系統(tǒng)，不同于以往傳統(tǒng)的產(chǎn)品，采用旋翼升力作為三棲探測飛行器的飛行動(dòng)力，可垂直起降，高空作業(yè)，且低耗能;創(chuàng)新采用海陸一體輪，及可收縮航海板，故結(jié)構(gòu)簡單，自重較輕，且有效避免了阻力過大問題;另采用六旋翼雙余度飛控，操作簡單且更加平穩(wěn)安全可靠;最后地面多功能維護(hù)站的設(shè)計(jì)制作，有效避免了戶外作業(yè)信號弱，不能持續(xù)續(xù)航的問題。本系統(tǒng)可深入險(xiǎn)區(qū)，傳遞實(shí)時(shí)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有效地減少了人員傷亡。

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基金項(xiàng)目：濱州學(xué)院國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201410449012）。

作者簡介：

徐文強(qiáng)（1993—），男，山東濰坊人，現(xiàn)就讀于濱州學(xué)院。

柳明（1980—），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士，濱州學(xué)院副教授，主要研究方向：組合導(dǎo)航。

李海龍（1993—），男，山東菏澤人，現(xiàn)就讀于濱州學(xué)院。