基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)

河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 張松玲 宋國祥 王 芳

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)

河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 張松玲 宋國祥 王 芳

本設(shè)計的最大特點是仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位功能的結(jié)合。首先利用撲翼無人機(jī)像鳥一樣的仿生形態(tài)，隱蔽性強，在軍事偵察中，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。其次該設(shè)計具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，能將偵察現(xiàn)場的視頻和音頻通過無線傳輸同步發(fā)送到手機(jī)，在手機(jī)上對偵察現(xiàn)場實時監(jiān)控。同時加入GPS定位功能，在手機(jī)上可對無人機(jī)精準(zhǔn)定位、對偵察對象實時追蹤。另外本設(shè)計實現(xiàn)了小型化結(jié)構(gòu)，在較小的機(jī)身內(nèi)，集仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位于一體，實現(xiàn)高度的集成化。在民用上該無人機(jī)模型可用于災(zāi)區(qū)救援，飛進(jìn)事故現(xiàn)場傳輸救援信息，當(dāng)搭載不同設(shè)備后還可實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警、自主飛行、通信中繼等拓展功能。

撲翼；仿生形態(tài)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPS定位；小型化

0 引言

隨著仿生技術(shù)、空氣動力學(xué)和微加工技術(shù)的日益發(fā)展，加之軍事和民用方面的廣泛應(yīng)用前景，仿生撲翼無人機(jī)成為了國內(nèi)外科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比：國內(nèi)的撲翼無人機(jī)的研究還處于校園階段[1-2]，并且國內(nèi)對小型撲翼無人機(jī)的研究水平更為薄弱，功能較為單一，一般只能實現(xiàn)初步的飛行。國外對撲翼無人機(jī)的研究雖領(lǐng)先于國內(nèi)，但是仍存在弊端，航時短，并未真正投入使用[3-4]。而基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)，在較小的機(jī)身內(nèi)，集仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位于一體，通過無線傳輸將視頻、音頻和位置信息同步發(fā)送到手機(jī)、電腦等終端，實現(xiàn)高度的集成化。并且通過實驗測試和結(jié)果分析，達(dá)到了預(yù)期成果，實現(xiàn)了集仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位于一體的高度集成化。軍用方面可用于軍事偵察，也可以對大型建筑物及軍事設(shè)備的內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)視，特別適合在城市作戰(zhàn)中使用；民用方面可飛進(jìn)事故現(xiàn)場，傳輸救援信息，如地震、火災(zāi)等。

1 系統(tǒng)簡介

以仿生撲翼無人機(jī)的仿生形態(tài)為基礎(chǔ)，結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]和GPS定位[6]，利用無人機(jī)上的攝像頭、聲卡和GPS定位模塊，分別采集視頻、音頻和位置信息，并通過無線傳輸同步發(fā)送到手機(jī)、電腦等終端，從而實現(xiàn)對偵察現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控、對偵察對象的實時追蹤。

1.1 信息采集調(diào)制模塊

該模塊設(shè)置在本無人機(jī)內(nèi)部。如圖1所示，攝像頭模塊將采集到的視頻、音頻等信息和GPS定位單元采集到的經(jīng)過信號處理單元處理后的位置信息依次經(jīng)過信源編碼、加密、信道編碼、數(shù)字調(diào)制，最終到達(dá)天線，天線將已調(diào)信號發(fā)送到中繼放大模塊。

圖1 信息采集調(diào)制模塊原理圖

1.2 中繼放大模塊

該模塊設(shè)置在基站上。如圖2所示，經(jīng)信息采集調(diào)制模塊中的天線發(fā)送過來的已調(diào)信號依次經(jīng)過接收濾波器、抽樣判決器、功率放大器，最終到達(dá)基站天線，基站天線將該信號發(fā)送到無線接收解調(diào)模塊。

1.3 無線接收解調(diào)模塊

如圖3所示，基站天線傳送過來的信號依次經(jīng)過帶通濾波器、功率放大器、數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、解密、信源譯碼，最終將信號輸送到顯示設(shè)備，在顯示設(shè)備上可以看到攝像頭模塊采集到的視頻、音頻等信息和GPS定位單元采集到的位置信息。

圖2 中繼放大模塊原理框圖

圖3 無線接收解調(diào)模塊原理框圖

2 偵察無人機(jī)性能測試

目前的無人機(jī)多為固定翼和旋翼，這兩類無人機(jī)在軍事偵察中隱蔽性差。而本仿生撲翼偵察無人機(jī)完全仿照鳥類飛行的特點設(shè)計制作，具有高度的仿生形態(tài)，尤其適用于軍事偵察，隱蔽性極強，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。目前小型化的無人機(jī)功能較為單一，一般只能實現(xiàn)視頻傳輸，而本仿生撲翼偵察無人機(jī)不僅具有小型化的特點，而且在較小的機(jī)身內(nèi)，集仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位于一體，實現(xiàn)了視頻、音頻、位置信號的同步傳輸。

2.1 仿生測試

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)具有高度的仿生形態(tài)，在軍事偵察中隱蔽性強，不易被敵人發(fā)現(xiàn)；為了實現(xiàn)無人機(jī)的平穩(wěn)飛行。我們完全仿照鳥類結(jié)構(gòu)，運用雙層塑料薄膜作為機(jī)翼，高能聚合EPP泡沫做高度仿生形態(tài)的紡錘形的機(jī)身，利用小型蓄電池作為本無人機(jī)的動力來源，從而實現(xiàn)了基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)高度的仿生形態(tài)和平穩(wěn)飛行。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控測試

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。運用信息采集技術(shù)和2.4G無線射頻通信技術(shù)[7]，能將偵察現(xiàn)場的視頻、音頻等信息，通過無線傳輸同步穩(wěn)定的發(fā)送到手機(jī)，在手機(jī)上實現(xiàn)對偵察現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控。并且由于2.4GHz無線射頻技術(shù)采用專用的數(shù)據(jù)通道，呈現(xiàn)相似頻段的可能性大幅降低，減少了信號之間的干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在民用方面本無人機(jī)具有廣泛的應(yīng)用?；馂?zāi)、地震等人員無法靠近的事故現(xiàn)場，往往由于不能及時獲取求救者的具體位置和周圍環(huán)境等信息而使救援失敗，而本仿生撲翼偵察無人機(jī)可以飛進(jìn)事故現(xiàn)場，實時傳輸救援信息，給災(zāi)區(qū)救援提供了極大的便利。

2.3 GPS定位測試

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)具有GPS定位功能?？稍谑謾C(jī)上可對無人機(jī)精準(zhǔn)定位，實現(xiàn)對偵察對象的實時追蹤。我們采用高集成度的微型GPS定位模塊，一方面微型化的GPS定位模塊正好適應(yīng)了本無人機(jī)小型化的特點，另一方面該GPS定位模塊相比其他同功能的模塊具有重量輕的優(yōu)勢，更適合裝載在本無人機(jī)上，為其穩(wěn)定飛行提供了保障。

2.4 高度集成化測試

如圖4所示，基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)具有小型化的特點，在較小的機(jī)身內(nèi)，運用電子工藝裝配技術(shù)，集仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位于一體，實現(xiàn)高度的集成化。同時電子工藝裝配技術(shù)具有可靠性高、性能好和成本低等優(yōu)點，為本無人機(jī)日后的推廣提供了技術(shù)支撐。

圖4 基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)小型化、多功能示意圖

3 結(jié)論

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位的仿生撲翼偵察無人機(jī)在仿生撲翼無人機(jī)的仿生形態(tài)的基礎(chǔ)上，運用信息采集技術(shù)、無線通信技術(shù)和電子工藝裝配技術(shù)，融合了遠(yuǎn)程監(jiān)控、GPS定位，實現(xiàn)了仿生、遠(yuǎn)程監(jiān)控和GPS定位功能的結(jié)合。在軍事偵察和災(zāi)區(qū)救援的方面具有重要意義，隨著科技的進(jìn)步，本仿生撲翼偵察無人機(jī)在硬件、材料、技術(shù)上均將逐步完善，性能逐漸提高，價格逐漸降低，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]姜城,孫敏,董娜等．面向遠(yuǎn)程監(jiān)控的無人機(jī)視頻地理信息增強方法[J]．測繪通報,2014,(11):28-32．

[2]Balasubramanian Esakki;Vasantharaj Rajagopal;Rusendar Babu Srihari．Dynamic Modeling and Simulation of Flapping Wings UAV[J]．Innovative Design, Analysis and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering．2014：105-115．

[3]劉志華,彭小龍,李陽等．防不勝防的美國微型無人機(jī)[J]．兵工自動化,2007,26(6):插5-插6．

[4]Hosein Mahjoubi(1);Katie Byl(1)．Efficient Flight Control via Mechani cal Impedance Manipulation: Energy Analyses for Hummingbird-Inspired MAVs[J]．Journal of Intelligent and Robotic Systems．2014,Vol．73(No．1-4):487-512．

[5]沈令斌,趙志敏,俞曉磊等．基于新型光纖智能結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2015,47(3):453-458．

[6]陸建山,王昌明,宋高順等．基于卡爾曼濾波的交互式多模型GPS定位方法研究[J]．兵工學(xué)報,2011,32(6):770-774．

[7]胡致遠(yuǎn),宋洋洋,袁研根等．微功率無線通信技術(shù)在電力線路中的適應(yīng)性分析[J]．電力系統(tǒng)自動化,2014,(8):113-118．

張松玲（1997—），女，河南南陽人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。

本項目受河南省科技廳科技攻關(guān)重點項目(142102310276)資助；感謝該項目對我們實驗的支持和幫助。