基于固定翼的巡邏用無人機(jī)

張永帥+張美茹+陳迪

摘要：隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)漸漸融入各個(gè)行業(yè)中，在航拍，植保，測(cè)繪，電力檢測(cè)等都有不俗的表現(xiàn)，但是普遍存在航時(shí)過短，航程過小，難以完成較遠(yuǎn)的任務(wù)，所以我們選用固定翼為載機(jī)，提出一種覆蓋范圍更廣的無人機(jī)作業(yè)方案。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；自動(dòng)化；單片機(jī)；衛(wèi)星導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航

Abstract： With the rapid development of related industries， UAV technology has been gradually integrated into various industries and has performed well in aerial photography， plant protection， surveying and mapping， power detection， etc. However， there are ubiquitous flight delays， To complete the task far， so we use fixed-wing aircraft carrier， proposed a wider coverage of the UAV operating program.

Key words UAV automation SCM satellite navigation inertial navigation

背景介紹

交通監(jiān)管是管理交通，保證交通正常的重要手段，監(jiān)管人員需要監(jiān)管道路情況，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，保證在任何情況下確保交通的正常。在城市中，工作人員可以切換攝像頭實(shí)現(xiàn)道路監(jiān)管，但是對(duì)于較為偏僻地區(qū)，或攝像頭難以覆蓋的地帶很難快速監(jiān)管，所以我們提出了一種無人機(jī)系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)這種狀況。

解決方案

對(duì)于無人機(jī)的載機(jī)機(jī)體，我們采用航時(shí)長(zhǎng)，航程遠(yuǎn)的固定翼，考慮到主要用于巡邏拍攝，飛行地帶為監(jiān)控難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，道路上方較為空曠。對(duì)飛行姿態(tài)把控并不高，只需將航線把控到位即可，所以飛控采用以STM32[1]為核心的Pixhawk。導(dǎo)航則采用雙GPS[2]導(dǎo)航，并采用北斗為備用導(dǎo)航模塊，導(dǎo)航準(zhǔn)確，以電力為能源。動(dòng)力系統(tǒng)采用大功率無刷電機(jī)。

總系統(tǒng)分為兩個(gè)大部分，為機(jī)載部分和地面部分，兩部分通過通信設(shè)備進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。

1.機(jī)載飛行控制系統(tǒng)[3]：飛行控制系統(tǒng)采用飛行控制芯片+傳感器構(gòu)成，為了飛行的智能化，我們將采用冗余控制，對(duì)載機(jī)的控制為：

a.飛行器智能控制：飛行器根據(jù)任務(wù)，自動(dòng)規(guī)劃航點(diǎn)，并進(jìn)行飛行與調(diào)整，輸入信號(hào)來自任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)。并且突發(fā)情況下有中斷任務(wù)權(quán)限，例如避障，失速調(diào)整，外界大擾動(dòng)自動(dòng)修復(fù)，低電量返航，遇損。

b.地面站半自動(dòng)控制：手動(dòng)控制飛行器姿態(tài)，用于手動(dòng)起飛降落，或者突發(fā)任務(wù)或遇到飛控難以自主處理的情況時(shí)的無人機(jī)操控，輸入值為姿態(tài)信號(hào)，根據(jù)姿態(tài)信號(hào)飛控調(diào)整舵面，動(dòng)力系統(tǒng)等，輔助姿態(tài)控制。

c.完全手動(dòng)控制：完全手動(dòng)操控，用于突發(fā)情況，飛控受損，故障，載機(jī)受損，等重大干擾下，輸入信號(hào)直接控制舵面。這屬于突發(fā)情況下最后的操作，以保證飛行器的可靠性。

2.機(jī)載任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)：我們將任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)與飛控系統(tǒng)分離出來，這樣能更好的進(jìn)行任務(wù)分析而不占用飛控系統(tǒng)，并且可以采用運(yùn)算量更大的算法，對(duì)后期的算法寫入更友好。

3.機(jī)載通信系統(tǒng)：機(jī)載通信系統(tǒng)與地面通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸，可以將飛行器的飛行狀況，圖像等信息傳回地面，也接受來自地面的信息，由于任務(wù)時(shí)航程過遠(yuǎn)，而機(jī)載信息發(fā)射裝置大小，重量，散熱都有限制，所以功率較小，覆蓋范圍小，所以在遠(yuǎn)程任務(wù)時(shí)，回傳信息有距離限制，小于地面發(fā)射端的覆蓋范圍，所以對(duì)于飛行任務(wù)中，通信有三種狀況：

A.信號(hào)交流區(qū)（數(shù)據(jù)雙向傳輸）：在機(jī)載發(fā)射端覆蓋范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)，無人機(jī)將及時(shí)與地面通信，回傳任務(wù)信息。

B.任務(wù)發(fā)送區(qū)（地面段單向傳輸）：地面端單向傳送信號(hào)，通常用于任務(wù)發(fā)送。等待飛行器進(jìn)入信號(hào)交流區(qū)。

C.無信息區(qū)：超遠(yuǎn)距離任務(wù)或信號(hào)干擾嚴(yán)重，理論上地面站無法區(qū)分任務(wù)發(fā)送去和無信號(hào)區(qū)，在地面站中通常會(huì)設(shè)定兩區(qū)的界限，并根據(jù)飛行任務(wù)與飛行時(shí)間估計(jì)距離，判斷其所在，在無信號(hào)區(qū)中，盡量避免任務(wù)的發(fā)送。

實(shí)際使用中，盡量避免B，C區(qū)的產(chǎn)生，通常為加大機(jī)載設(shè)備與地面發(fā)射設(shè)備的功率，采用多種通信手段加強(qiáng)聯(lián)系，避免在電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下飛行。

信號(hào)頻段選擇：1）433M頻段：范圍大，但是抗干擾能力低，在城市中避免使用

2）1.4G頻段：穿透力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)

3）2.4G頻段：該頻段在日常家用電器中應(yīng)用廣泛，主要用于陸地工業(yè)無線監(jiān)控，成本低，頻點(diǎn)易把控，可釋放12個(gè)頻道

4）5.8G頻段：信號(hào)質(zhì)量高，多用于圖傳信號(hào)傳輸，但是穿透力差

地面通常站采用2.4G發(fā)射信號(hào)，機(jī)載設(shè)備通常選用5.8G進(jìn)行圖像回傳。這樣可以保證發(fā)射端覆蓋范圍大，機(jī)載發(fā)射端，回傳質(zhì)量高。

4.導(dǎo)航系統(tǒng)：導(dǎo)航采用冗余衛(wèi)星導(dǎo)航，為了提高準(zhǔn)確度，我們對(duì)采用多種衛(wèi)星導(dǎo)航，以GPS為主要參數(shù)，北斗，格洛納斯為修正參數(shù)，進(jìn)行篩選與計(jì)算[4]，對(duì)于無信息區(qū)，如果衛(wèi)星導(dǎo)航收到干擾，搜星數(shù)減少，會(huì)切換慣性導(dǎo)航，采用加速度計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理，結(jié)合姿態(tài)解算出大概方位，進(jìn)行導(dǎo)航，并取消任務(wù)進(jìn)入返航模式，直到搜星成功回到預(yù)定軌道，返回信息請(qǐng)求返航或者繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。采用這樣的方法能很好的避免失去GPS后無人機(jī)的任務(wù)錯(cuò)誤的問題，進(jìn)入返航模式能很好的保護(hù)無人機(jī)，避免出現(xiàn)丟機(jī)，導(dǎo)航錯(cuò)誤的情況。

5.地面站人機(jī)界面：通過可視界面可以直觀檢測(cè)飛行器狀況，采用PX4地面站，用于作為檢測(cè)地面站，PX4地面站數(shù)據(jù)齊全，數(shù)據(jù)鏈緊湊，容錯(cuò)率高，PX4地面站兼容Linux系統(tǒng)，可以采用嵌入式系統(tǒng)，制作時(shí)可以做成小型手持設(shè)備。將地面站小型化的同時(shí)，保持其功能的完整性，

存在問題

無人機(jī)續(xù)航時(shí)間仍然主要取決于電池，隨著電池的蓄電量增大，重量的變化更大，所以對(duì)于續(xù)航的增加，只靠增加電池容量是不可取的，現(xiàn)在航模電池使用的是鋰聚合物電池（Li-polymer），但是其重量較大，影響續(xù)航時(shí)間；對(duì)于容量磷酸鐵鋰電池（LiFeCoPO4）[5]，相同重量，電量比鋰聚合物電池要大，但是放電倍率較低只能達(dá)到2C-10C，很難滿足大功率電機(jī)的要求；新型動(dòng)力如燃料電池，太陽(yáng)能電池，成本過高，不適合普及，所以一般無人機(jī)續(xù)航很難超過2.5小時(shí)。

其次是自動(dòng)巡航方面，當(dāng)無人機(jī)脫離人工控制后，系統(tǒng)非常依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航，對(duì)于信號(hào)差，或強(qiáng)干擾地帶，衛(wèi)星搜星數(shù)過少時(shí)，無人機(jī)難以正常作業(yè)。并且進(jìn)入慣性導(dǎo)航模式下，利用加速度連續(xù)積分，并結(jié)合姿態(tài)解算出數(shù)據(jù)，所以準(zhǔn)確度并不高，并且誤差會(huì)隨著時(shí)間的增加而累加，如果一味靠慣性導(dǎo)航，可靠性并不高，只作為應(yīng)急處理，所以在衛(wèi)星信號(hào)普遍不好的地帶，還是需要避免飛行。

參考文獻(xiàn)：

[1]（英）姚文祥.ARM Cortex M3權(quán)威指南（第三版） [M].清華大學(xué)出版社，2015.

[2] 秦永元. 慣性導(dǎo)航[M].北京：科學(xué)出版社，2006

[3]King Sunfu，Gonzalez Rafael C ，Lee C S George. Robotics： Control Sensing，Vision and Intelligence [M].McGraw-Hill Education ，1987.

[4]Bishop Gary. Welchan Greg.姚旭晨.卡爾曼濾波器介紹.https：//www.cs.unc.edu/～welch/media/pdf/Kalman_intr o.pdf

[5]（美）托馬斯 B. 雷迪. 電池手冊(cè)（第四版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.