小型攻擊型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計分析

劉明明

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237000)

隨著我國無人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在社會各個行業(yè)各種功能的無人機(jī)都得到了有效的使用，其不僅能夠幫助我國提高在國際上的地位，還推動了新興行業(yè)的發(fā)展。無人機(jī)的主要類型為固定翼的無人機(jī)，其在使用的過程當(dāng)中準(zhǔn)備的周期較長，反應(yīng)速度較慢，在實際的使用過程當(dāng)中，無法根據(jù)實際情況做出有效的反映，因此應(yīng)該研究出成本更低、操作更加簡單，并且在使用的過程當(dāng)中響應(yīng)速度比較好的方便攜帶的小型無人機(jī)是必然趨勢。在該類無人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中有效將四旋翼技術(shù)與圖像通信技術(shù)融合在一起，能夠提高小型攻擊型四旋翼無人機(jī)的偵察能力和對使用環(huán)境的分析能力。

1 小型四旋翼無人機(jī)的主要技術(shù)

小型的四旋翼無人機(jī)最大的特點(diǎn)是垂直起飛和垂直降落，機(jī)動性和可操作性較強(qiáng)，操作人員的控制和偵查相對比較方便，并且還可以飛到離目標(biāo)很近的區(qū)域內(nèi)，發(fā)展空間較為良好。

1.1 系統(tǒng)的建模

四旋翼與傳統(tǒng)的直升機(jī)存在一定的區(qū)別，主要采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)由四個旋翼組成，其中有四個固定的旋翼。飛行過程中的直接動力源是四個電機(jī)，通過控制和改變無人機(jī)的四個螺旋槳，能進(jìn)一步簡化無人機(jī)的結(jié)構(gòu)以及其動力學(xué)的特征。在小型的四旋翼無人機(jī)當(dāng)中，由于其尺寸小并且飛行的速度較慢，其低雷諾數(shù)的效應(yīng)比較明顯，但是它表面層比較容易出現(xiàn)分離的情況，且具有相對比較復(fù)雜的飛行條件，比較容易受到外界因素的影響，因此具有一定的不穩(wěn)定性，在微型的螺旋升力特征以及阻力特征當(dāng)中，雷諾數(shù)的影響較大，所以要想保證四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定性，需要將旋翼升力和阻力計算的誤差減少。四旋翼無人機(jī)在飛行過程當(dāng)中，會受到一些物理效應(yīng)和外部因素的影響。其中，物理效應(yīng)包括空氣動力、重力等；外部環(huán)境包括空氣中的氣流等，因此，會很難獲得無人機(jī)的氣動性能，從而無法建立更加準(zhǔn)確的模型。在當(dāng)今社會中，越來越多的研究學(xué)者開始注重研究旋翼的動力。在研究的過程當(dāng)中使用的模型都是簡化后的動力學(xué)模型，其建模的方法主要有：(1)利用相關(guān)的理論計算一些非線性或者線性的方程；(2)使用進(jìn)行的具有實驗中獲取的結(jié)果數(shù)據(jù)對相關(guān)的方程進(jìn)行研究。

1.2 四旋翼無人機(jī)的飛行控制技術(shù)

無人機(jī)當(dāng)中的自主控制主要是其具有自主性或者自主能力的一個控制的過程，不會受到外界的控制干涉而擁有的自我控制決策的能力。無人機(jī)系統(tǒng)擁有比較快速的自主適應(yīng)能力，并且能夠在線感知環(huán)境的態(tài)勢，重構(gòu)控制并進(jìn)行信息處理工作。在2000年，美國就提出了相關(guān)的自主作戰(zhàn)，在其空間研究室內(nèi)定義的自主控制級別有10個，在無人機(jī)的自主控制等級主要是劃分聯(lián)系無人機(jī)駕駛飛行器的任務(wù)，因此，任務(wù)需要不同，則自主控制的等級也不同。在四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)中，由于其極容易受到外界及自身系統(tǒng)的干擾、影響，導(dǎo)致要想設(shè)計及飛行控制系統(tǒng)非常困難，而四旋翼無人機(jī)中隨著飛行尺度的減小其導(dǎo)航測量的系統(tǒng)和性能也會下降。如果四旋翼無人機(jī)要在不同的飛行條件之下，都能保證其良好的飛行品質(zhì)，就需要將無人機(jī)本身的自主等級有效提高，從而實現(xiàn)自主飛行的目標(biāo)。

1.3 控制四旋翼無人機(jī)的原理

在四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，主要采用了四個旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過將四個螺旋槳產(chǎn)生的升力進(jìn)行控制，簡化結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的特征，逆時針旋轉(zhuǎn)四旋翼無人機(jī)的前槳1和后槳3，順時針旋轉(zhuǎn)其他兩槳，這種結(jié)構(gòu)被稱為反向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。其有效代替了傳統(tǒng)直升機(jī)的尾旋翼，在飛行過程當(dāng)中通過改變四個旋翼的轉(zhuǎn)速，就會產(chǎn)生各種不同的飛行姿勢，使無人機(jī)能夠向預(yù)定的方向進(jìn)行運(yùn)動，從而完成一定的任務(wù)。[1]四旋翼無人機(jī)控制原理(見圖1)。

圖1 四旋翼無人機(jī)控制原理

通過調(diào)節(jié)四旋翼的運(yùn)動方式，可以將四旋翼無人機(jī)飛行控制的方式分為四種：垂直飛行控制、橫滾控制、俯仰控制以及偏航控制等。其中垂直飛行控制主要是當(dāng)四旋翼處于水平位置時，會重合垂直方向的慣性坐標(biāo)和機(jī)體的坐標(biāo)系，將四個旋翼的轉(zhuǎn)速增大或者減小，產(chǎn)生一定升力，從而讓四旋翼無人機(jī)上升到規(guī)定的飛行高度，而在懸停的過程當(dāng)中，讓四個旋翼的轉(zhuǎn)速保持相等，則會產(chǎn)生平衡的推力和重力，保持在某一高度的狀態(tài)，此時其姿態(tài)角為0。綜上所述對垂直飛行進(jìn)行控制，主要就是要將四個旋翼的轉(zhuǎn)速進(jìn)行穩(wěn)定，從而保持一定的變化量。[2]

2 小型攻擊型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 方案的總體設(shè)計

2.1.1 框架設(shè)計

小型攻擊型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)主要是由四旋翼無人機(jī)以及地面控制站組成。在四旋翼無人機(jī)中飛行器是機(jī)載的平臺，系統(tǒng)組成包括飛控系統(tǒng)和火控系統(tǒng)。四旋翼飛行器中負(fù)責(zé)穩(wěn)定和規(guī)劃飛行器姿態(tài)以及航線的控制系統(tǒng)是飛控系統(tǒng)，而火控系統(tǒng)則是根據(jù)地面控制站所發(fā)出的指令，瞄準(zhǔn)目標(biāo)以及發(fā)射模擬的導(dǎo)彈，并實時以及精準(zhǔn)打擊相關(guān)的目標(biāo)。無線傳輸系統(tǒng)則是可以通過無線電讓四旋翼飛行器與地面的控制站之間實現(xiàn)通信的目標(biāo)。地面控制站主要是加固的筆記本電腦構(gòu)成。它的作用就是處理實時傳回的圖像詳情，并對四旋翼無人機(jī)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈框圖(見圖2)。

圖2 四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈框圖

2.1.2 無人機(jī)系統(tǒng)工作流程設(shè)計

在使用的過程中，小型攻擊型的四旋翼無人機(jī)可以由單人攜帶，當(dāng)需要對難以通行的區(qū)域進(jìn)行偵察時，操作人員可以通過在地面上對無人機(jī)進(jìn)行操作，從而讓它飛向指定的區(qū)域內(nèi)，四旋翼無人機(jī)通過其本身自帶的攝像頭采集戰(zhàn)場內(nèi)的實時圖像信息，并傳送回地面控制站中幫助操作人員對環(huán)境情況進(jìn)行掌握。[3]

2.2 設(shè)計硬件的方案

2.2.1 機(jī)載平臺的設(shè)計

作戰(zhàn)的環(huán)境多種多樣，所以小型攻擊型的四旋翼無人機(jī)能夠在森林以及密集的街區(qū)等地形比較復(fù)雜的地方都能進(jìn)行作戰(zhàn)，本文設(shè)計的系統(tǒng)選擇的機(jī)載平臺主要是以靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)飛行狀態(tài)下都具有較大優(yōu)勢的四旋翼無人機(jī)(見圖3)。

圖3 四旋翼無人機(jī)

該類無人機(jī)的軸距為0.41 m，最大的承載量為3 kg，擁有20 min的續(xù)航時間，并且其最大的行巡航速度54km/h，該無人機(jī)還具有自主飛行以及垂直起身和降落等的功能，可以折疊，便于攜帶，折疊之后的無人機(jī)的尺寸為50 mm×35 mm×20 mm，能讓無人機(jī)的戰(zhàn)場響應(yīng)速度進(jìn)一步提高。

2.2.2 飛行控制系統(tǒng)

在四旋翼無人機(jī)當(dāng)中的飛行操控系統(tǒng)主要由飛行處理器、慣性測量單元以及氣壓計等幾個部分組成。飛行處理器的主控制器的型號為STM32F427，其協(xié)助處理器的型號為STM32F103。當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障不能操作時，就可以啟動協(xié)助處理器控制無人機(jī)，從而讓無人機(jī)在作戰(zhàn)過程中的安全性得到保障，也避免無人機(jī)墜毀，在飛控系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置雙控制器能夠?qū)o人機(jī)在空中飛行的安全性極大提高。[4]

飛控系統(tǒng)當(dāng)中的慣性測量單元采用的芯片型號為LSM303，該類芯片有效結(jié)合了即加速度計、地磁傳感器，在慣性測量單元中還包括型號為L3GD20H的低功耗的三軸陀螺芯片，通信速度可高達(dá)400 kHz，該類慣性測量單元的工作溫度范圍在-40℃～+85℃之間。

2.3 火控系統(tǒng)的設(shè)計

火控系統(tǒng)包括火控電板路和炮射云臺兩個部分。火控系統(tǒng)當(dāng)中的火控電路板的處理器的芯片型號為STC89C52RC，該芯片是一款單片機(jī)，具有較高的可靠性。它的功能包括能對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、驅(qū)動電機(jī)以及對繼電器進(jìn)行控制等，主要用于接收地面控制站發(fā)出的指令，并根據(jù)相關(guān)的指令控制好無人機(jī)中的炮射云臺，實現(xiàn)瞄準(zhǔn)相關(guān)的目標(biāo)，發(fā)射出炮射的工作。[5]

炮射云臺主要是對炮臺的俯仰角與方位角進(jìn)行控制，主要的控制工具是兩個步進(jìn)電機(jī)。在實驗的過程當(dāng)中的武器是模擬的火箭，該模擬火箭的射程為100 m，不具備較強(qiáng)的殺傷能力，所以在實踐過程中火控系統(tǒng)可以有效根據(jù)實際的需要裝備一些武器，比如小型的槍械、煙霧彈、麻醉槍等。

2.4 無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸使用的模塊是匯豐HC12模塊，通過無線鏈路把地面站處理的相關(guān)結(jié)果傳送到火控系統(tǒng)當(dāng)中。在使用該模塊進(jìn)行工作的過程當(dāng)中，其頻率的范圍一般為433.4～473 MHz，空閑的電流一般為16 mA，發(fā)射功率最高可達(dá)100 MW，傳輸?shù)淖畲缶嚯x一般為1 km，通信是把串口與處理器連接進(jìn)行通信，操作過程相對比較簡單、高效，也具有一定的可靠性。

在無線傳輸系統(tǒng)當(dāng)中傳輸圖像使用的模塊是歐姆威5.8 g模擬的圖像傳輸模塊，能夠傳輸圖像的距離一般在3 km左右，可以調(diào)控的評頻點(diǎn)一共有32個，圖像傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且發(fā)出的熱量較少，所以該系統(tǒng)的使用壽命相對較長。[6]

2.5 地面控制站的設(shè)計

在地面控制站中使用的處理器是Intel Corei5-2 400處理器，其主頻是3.10 GHz，擁有4 GB的內(nèi)存，功能包括能夠在電腦屏幕上實時顯示出采集到的視頻和圖像，傳遞實時信息，能夠有效利用目標(biāo)識別技術(shù)，將采集到的圖像信息實時傳回地面控制站中，并將目標(biāo)識別出來，在控制回路的過程中可以把人作為一個環(huán)節(jié)，從而使人機(jī)的交互性不斷增強(qiáng)，進(jìn)一步控制好四旋翼無人機(jī)。

3 圖像算法以及該系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)

3.1 圖像算法研究

在無人機(jī)進(jìn)行巡航飛行的過程當(dāng)中，使用飛行控制算法進(jìn)行控制，通過無人機(jī)上的攝像頭有效采集實時的圖像發(fā)送到地面控制站中，并且灰度化等預(yù)處理采集到的圖像，讓操作人員能夠識別目標(biāo)，從而在火控系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)送相關(guān)的指令，其指令包括對目標(biāo)的定位等，有效實現(xiàn)實時目標(biāo)的鎖定，其主要的具體流程(見圖4)。

圖4 無人機(jī)飛控算法控制流程圖

在小型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，需要擁有對目標(biāo)的實時性和準(zhǔn)確性有較高的識別能力，因此在選擇算法過程當(dāng)中應(yīng)該選擇具有較強(qiáng)的適用性和匹配能力的SIFT方法，盡管該算法在旋轉(zhuǎn)、縮放等中具有一定的不變形，但是由于其產(chǎn)生的特征維數(shù)較大，算法的復(fù)雜程度較高，且進(jìn)行計算的量較大，因此實時性的要求難以滿足，所以本文提出了對SIFT特征圖像匹配算法改進(jìn)的方法：(1)有效減少一些匹配的時間，主要是采用新的方法生成相關(guān)的SIFT特征描述符，有效降低其特征向量的維數(shù)，從而減少需要進(jìn)行匹配的時間；(2)將匹配的精度提高，在該算法當(dāng)中可以積極采用雙向匹配的思想，利用好先進(jìn)的檢測算法，有效降低出現(xiàn)錯配的概率，從而進(jìn)一步提高該算法的匹配精度。[7]

3.2 系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)

為了能夠充分認(rèn)識到該系統(tǒng)的有效性和可靠性，通過搭建出一個四旋翼機(jī)載的平臺，將無人機(jī)與地面控制站使用無線鏈路連接起來，并在實驗場地內(nèi)設(shè)置假目標(biāo)，通過在地面控制站對過對無人機(jī)進(jìn)行控制，在操場中進(jìn)行搜查目標(biāo)。通過該試驗可以知道，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入了無人機(jī)的視野當(dāng)中，地面控制站就對該目標(biāo)進(jìn)行鎖定和確定，發(fā)布指令到無人機(jī)中的火控平臺，讓炮射云臺能夠迅速瞄準(zhǔn)制定的目標(biāo)，通過該實驗可以證明小型四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計具有一定的可靠性，其主要的效果實驗效果(圖5)。

圖6 無人機(jī)識別目標(biāo)的瞬間

4 結(jié)語

在社會不斷發(fā)展的過程中，對四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的要求也越來越高，四旋翼無人機(jī)能夠在一定程度上讓其垂直起降、自主飛行的目標(biāo)實現(xiàn)，并且該類無人機(jī)還具有方便攜帶以及響應(yīng)速度較快、適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，通過四旋翼無人機(jī)的攝像頭傳輸實時的圖像信息，讓地面站進(jìn)行處理，能夠快速識別目標(biāo)，幫助操作人員了解現(xiàn)場比較復(fù)雜的環(huán)境，所以該類無人機(jī)在現(xiàn)代化的社會當(dāng)中具有比較寬廣的發(fā)展前景。