水空跨域無人航行器設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號：TU892 文獻標志碼：A 文章編號：1009-5128（2025）05-0080-08

水空跨域無人航行器是一種能同時在水中和空中反復(fù)跨介質(zhì)運動的飛行器，在軍事和民用方面有廣泛的應(yīng)用前景。這種飛行器也是一個仿生設(shè)計，主要是模仿鳥的飛行能力和魚的游泳能力[1]，可以通過搭載相應(yīng)的傳感器同時完成水中和空中任務(wù)。為實現(xiàn)險情救援，需要利用水空跨域航行器精確地檢測救援情況，從而加快救援速度。因此，為設(shè)計出快速跨介質(zhì)的水空跨域無人航行器，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，并取得了豐碩的成果。楊興幫等[2]研究了各種跨域飛行器的相同特性以及運動介質(zhì)的轉(zhuǎn)換模式，為水空跨域無人航行器的迅速發(fā)展提供了一定的理論基礎(chǔ)。Wang等[3設(shè)計了一個飛行模型，使跨域航行器在起飛過程中進行虛擬飛行仿真，誤差減少了 1 0 % 。Feng等4提出了一種多級可回收物品控制技術(shù)用于跨域無人航行器的備件分配，解決了跨域無人航行器的備件庫存分配問題，為大批量生產(chǎn)備件分配提供了寶貴方法。殷翔等[5提出了一種協(xié)同粒子群的協(xié)同作業(yè)路徑規(guī)劃算法，使不同的航行器在進行協(xié)同作業(yè)任務(wù)時可以提前規(guī)劃好航行路徑并且實現(xiàn)追蹤目標功能。昂海松等[6設(shè)計出一種配備有可變軸傾轉(zhuǎn)多螺旋槳的跨域無人航行器，既可以在水面滑行又能在空中航行。該設(shè)計產(chǎn)品滿足了跨域無人航行器的多種運動模式，為以后的跨域無人航行器在不同的情況下分配了更多的選擇模式對應(yīng)。Zhou等7研究了在不同的波浪情況以及航行器在水中的滑行速度對跨域無人航行器的影響，使用笛卡爾網(wǎng)格有限差分法可以有效解決物體大運動問題，為以后跨域無人航行器有效解決不安全海面問題提供了參考意見。Kushal8在研究中發(fā)現(xiàn)，翼型在氣動設(shè)計的功能中起著關(guān)鍵作用，并且升阻比是表示翼型效率的主要參數(shù)之一。Weisler等[9研究出第一個固定翼無人航行器，裝備了水淹和排水機翼可以反復(fù)在空中和水下進行作業(yè)任務(wù)。Ga-nesan等[10]為了提高跨域無人航行器的續(xù)航能力以及減少在飛行時的阻力，并研究在不同幾何形狀下的壓力分布以及對風(fēng)洞試驗做出驗證。Fevralskikh等[1]利用兩種運動方程VOF法和DPM法以兩棲航行器在海面降落的起落架濺起做成數(shù)據(jù)模擬，可以使兩棲無人航行器在海面降落時有多種起落架方案，并有良好的應(yīng)用前景。Sato等[12]研究出一種協(xié)同路徑跟蹤控制方法，可以減少工作負擔(dān)，通過視覺檢查和自動控制來減少人工工作量，更好地讓人操作跨域無人航行器。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種水空無人航行器，使用荷重傳感器以及改變電機轉(zhuǎn)動角矩裝備以方便航行器出入水域，從而滿足水空跨域無人航行器的實現(xiàn)，便于航行器在水面及陸地上快速起飛，具備完成兩棲作業(yè)并在自然災(zāi)害中針對各種復(fù)雜環(huán)境執(zhí)行任務(wù)的能力。

該系統(tǒng)相較傳統(tǒng)飛行器具有以下創(chuàng)新性：（1）固定翼效率：傳統(tǒng)固定翼設(shè)計提供了高效的空中飛行性能，與旋翼系統(tǒng)相比，固定翼在巡航速度和航程上具有明顯優(yōu)勢，使得無人航行器能夠在空中長時間執(zhí)行任務(wù)，同時維持較低的能源消耗。（2）跨域切換：創(chuàng)新的設(shè)計包括在水面和空中的平滑過渡機制。相比于其他類型的飛行器（如混合動力垂直起降機），固定翼設(shè)計的跨域切換可通過可伸縮翼展或推進系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。（3）多功能性：可以結(jié)合固定翼的長續(xù)航能力和水面航行的靈活性，提供更廣泛的應(yīng)用場景，例如在遠離陸地的環(huán)境監(jiān)測和搜救任務(wù)中，能夠有效切換操作模式，提高任務(wù)效率。

該系統(tǒng)相較傳統(tǒng)飛行器具有以下優(yōu)勢：（1）效率：固定翼的空中飛行效率通常高于旋翼或垂直起降系統(tǒng)，能在較長時間內(nèi)保持高速巡航。（2）結(jié)構(gòu)簡化：相比于復(fù)雜的混合動力系統(tǒng)，固定翼設(shè)計簡化了動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，降低了制造和維護成本。（3）耐久性：固定翼的設(shè)計在耐用性和穩(wěn)定性上優(yōu)于某些高復(fù)雜度的跨域無人機，尤其在極端環(huán)境下表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

1系統(tǒng)設(shè)計與硬件設(shè)計

水空跨域無人航行器系統(tǒng)主要具備水空兩棲跨域飛行功能，以STC15單片機為主控芯片，由無線發(fā)射接收模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機控制模塊、電子調(diào)速模塊、AD采集模塊、聲光報警模塊和按鍵模塊等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 電源供電模塊設(shè)計

本設(shè)計采用12V的電源，為使無人航行器的主控制板與各種元器件穩(wěn)定工作，采用5V降壓模塊，

用LM7805的穩(wěn)壓集成電路芯片搭建直流穩(wěn)壓電源?？紤]氣壓計和無線傳輸模塊 3 . 3 V 的電壓要求，采用B1117N-3.3V穩(wěn)壓器為氣壓計和無線傳輸模塊進行供電。供電電源電路如圖2所示。

1.2 NRF24L01無線通信模塊設(shè)計

在無線通信系統(tǒng)電路中，NRF24L01具有低功耗特性的特點，只需使用很小的電池即可工作?？梢杂?Mbps的速率進行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足快速數(shù)據(jù)傳輸需要；可在長達 1 0 0 0 m 的距離內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過低價組件實現(xiàn)，是一種低成本的無線通信解決方案;具有簡單的接口和易于使用的庫文件，可以廣泛應(yīng)用于家庭自動化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遙控器、游戲控制器等領(lǐng)域。NRF24L01無線通信系統(tǒng)電路如圖3所示。

1.3 電機驅(qū)動控制模塊設(shè)計

本設(shè)計采用2個電機驅(qū)動，通過單片機輸出PWM進行驅(qū)動，并采用FD6288驅(qū)動芯片。支持低電壓啟動技術(shù)，最低啟動電壓達到 0 . 6 V ，可以確保電機在低電壓條件下正常啟動和運行。同時具有電氣電流限制功能以及低靜態(tài)電流特性。具有內(nèi)置的反向保護電路，當(dāng)電機輸入反向時，芯片會自動斷開電路，以保護電機和驅(qū)動電路。電機驅(qū)動模塊如圖4所示。

1.4舵機控制模塊設(shè)計

舵機控制模塊由微控制器、PWM輸出標準信號、舵機接口、穩(wěn)壓電路、反向保護、過載保護電路、電磁屏蔽等組成，其主要特點包括：舵機控制模塊的精度通常在1以內(nèi)，使得機器人、遙控模型等裝置能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的動作。通過PWM輸出信號控制舵機轉(zhuǎn)動角度簡單方便，只需要簡單的編程即可實現(xiàn)。支持反向保護電路，能夠有效防止反向電流對電路和舵機的損壞，并內(nèi)置過載保護電路，防止舵機因超載而受損。舵機控制模塊如圖5所示。

1.5按鍵模塊設(shè)計

為了讓系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，采用按鍵控制實現(xiàn)不同功能的方案。利用3個按鍵實現(xiàn)的氣壓高度報警值的設(shè)定，K1代表氣壓高度值的增加，K2代表氣壓高度值的減小，另外還有手動報警以及取消報警功能，通過反復(fù)按K3實現(xiàn)。按鍵連線圖如圖6所示。

1.6聲光報警模塊設(shè)計

聲光報警采用蜂鳴器和發(fā)光二極管。蜂鳴器的聲音和二極管的亮度都能起到很好的報警作用，而且操作也非常簡單，很容易實現(xiàn)。為了解決上述提到的氣壓過高的問題，設(shè)計了聲光報警電路，如圖7所示。三極管的導(dǎo)通條件是單片機輸出低電平。當(dāng)三極管導(dǎo)通時，發(fā)光二極管中電流從正極流向負極，實現(xiàn)發(fā)光發(fā)亮，R22為保護電阻，防止電流過大損壞二極管。蜂鳴器中也有從正極流向負極的電流，因此可以發(fā)出聲音，音量以及音色的大小都可以調(diào)節(jié)。

2軟件系統(tǒng)

水空跨域無人航行器軟件部分主要包括STC15飛控模塊軟件設(shè)計、NRF24L01模塊軟件設(shè)計、電機驅(qū)動模塊軟件設(shè)計、舵機驅(qū)動模塊軟件設(shè)計、聲光報警模塊軟件設(shè)計、按鍵模塊軟件設(shè)計。在KeiluVision5軟件中，使用C語言編寫程序，采用ST-Link仿真器對STC15單片機和NRF21LO1通信模塊下載，使用USB轉(zhuǎn)TTL設(shè)備在串口助手上對水空跨域無人航行器進行調(diào)試。

2.1 STC15飛控模塊軟件設(shè)計

STC15飛控模塊是水空跨域無人航行器的主要模塊之一，上電后，初始化NRF24L01無線模塊、無刷電機、舵機、氣壓計模塊、聲光報警模塊，并對系統(tǒng)做零偏處理，等待遙控裝置起飛信號和水面滑行信號。通過接收無線模塊接收遙控裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)收到起飛信號時，電機開始加速到起飛速度，并啟動舵機，水空跨域無人航行器獲得升力開始起飛；當(dāng)收到水面滑行信號時，電機開始加速，這時舵機不會啟動，會在水面滑行。STC15飛控模塊設(shè)計流程圖如圖8所示。

2.2 MG90S舵機驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

舵機驅(qū)動模塊主要負責(zé)水空跨域無人航行器的升力部分，滿足無人航行器在水面上起飛的條件。舵機控制模塊通常由微控制器、PWM輸出標準信號、舵機接口、穩(wěn)壓電路、反向保護、過載保護電路、電磁屏蔽等組成。MG90S舵機驅(qū)動模塊設(shè)計流程圖如圖9所示。

2.3 FD6288電機驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

電機驅(qū)動模塊主要負責(zé)水空跨域無人航行器的動力部分，通電后為裝置提供動力，并利用電機差速改變飛行方向，滿足無人航行器在水面滑行和空中飛行的能量。FD6288電機驅(qū)動模塊設(shè)計流程圖如圖10所示。

2.4NRF24L01模塊軟件設(shè)計

NRF24L01模塊采用SPI（串行外設(shè)總線）接口，其最大的特點是低功耗，只需使用很小的電池即可工作；可以2Mbps的速率進行數(shù)據(jù)傳輸，滿足快速數(shù)據(jù)傳輸需要；在長達 1 0 0 0 m 的距離內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，滿足遠距離傳輸?shù)男枨?可以通過低價組件實現(xiàn)，是一種低成本的無線通信解決方案。初始化NRF24L01模塊如圖11所示。

3系統(tǒng)調(diào)試與試驗驗證

在設(shè)計好系統(tǒng)后，需進行調(diào)試以排除系統(tǒng)可能存在的故障，并不斷完善系統(tǒng)的各個硬件及軟件結(jié)構(gòu)，從而保障系統(tǒng)能夠準確無誤地達到預(yù)期功能。本設(shè)計的調(diào)試方法包含系統(tǒng)軟硬件測試、無人航行器速度實驗、無人航行器飛行實驗。

3.1 系統(tǒng)軟硬件測試

在硬件焊接前，首先對系統(tǒng)進行模擬仿真。原理圖包含STC15飛控模塊、無線發(fā)射接收模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、聲光報警模塊和獨立按鍵模塊等。經(jīng)過仿真測試后，各模塊均可以正常運行。在軟件測試合格后，根據(jù)電路原理圖畫出PCB圖，找廠家生產(chǎn)PCB板，并通過STC-ISP軟件將程序燒錄至STC15F2K60S2芯片中，再對實物進行調(diào)試。本設(shè)計采用CAD軟件對該模型進行設(shè)計。為了更好地滿足水空跨域無人航行器的工作需求，使用的KT冷板根據(jù)CAD設(shè)計圖的參數(shù)進行裁剪板材，然后組裝。

3.2 無人航行器運行實驗

將單片機板放入飛機模型中，接入電機接口、舵機接口，最后插入電源，聽見滴一聲后即可開始水空跨域無人航行器的工作。水面滑行如圖12所示、水面起飛如圖13所示、空中飛行如圖14所示、水面降落如圖15所示。4組實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的無人航行器均能正常工作。

3.3無人航行器跨域轉(zhuǎn)化分析實驗

在水面比較平靜的湖中對航行器進行跨域轉(zhuǎn)化分析實驗，以驗證航行器可以實現(xiàn)短距跨域轉(zhuǎn)化航行，測試實際轉(zhuǎn)化的軌跡是否與預(yù)定的距離一致，可通過上位機軟件顯示的航行器實際的經(jīng)緯度坐標與預(yù)期轉(zhuǎn)化的經(jīng)緯度坐標對比，判斷航行器的跨域轉(zhuǎn)化情況，如表1所示。

4結(jié)語

通過對水空跨域無人航行器系統(tǒng)設(shè)計的需求分析認為，首先，采用以STC15單片機為核心的主控電路，并配合電機驅(qū)動模塊、舵機驅(qū)動模塊、無線發(fā)射接收模塊、電子調(diào)速模塊、AD采集模塊、聲光報警模塊和按鍵模塊組成。其次，設(shè)計了相應(yīng)的軟件模塊用以驅(qū)動系統(tǒng)，并對系統(tǒng)硬件及軟件模塊進行測試證明系統(tǒng)可正常工作。最后，制作實物系統(tǒng)，分別對無人航行器跨域轉(zhuǎn)換速度及性能進行實驗。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的水空跨域無人航行器在水面和空中飛行穩(wěn)定，兩種模式的切換迅速，達到了可在水面起降、停泊以及飛行速度可調(diào)的效果。

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【責(zé)任編輯 牛懷崗】

Waterand Land Cross-Domain Unmanned Aerial Vehicle System

HU Baolingla：1b，ZHOU Yilb，QIAN Pengchenglb，ZHANG Pinggaila，QIN Zhen'b， CHU Mengcongl，ZHANG Jingyilb，YANG Xuerong2

1.a.SchoolofComputer ScienceandArtificial Intellgence；b.SchoolofElectronic Engineering，Chaohu University， Chaohu 238024，China；2.School of Artand Design，Hefei University of Economics，Hefei230011，China）

Abstract：Inviewof the problemsof lowrescueeffciencyand single driving modeofunmannedaerial vehicle，a water-airamphibious rescue vehicleis dsigned todetectand judge the disaster situationquicklyandaccurately，soas to improvetherescueeficiencyeffctively.Firstly，therequirementsoftheair-wateramphibiousvehicleareanalyzed，andits overallstructureisplannedanddesigned.Onthisbasis，thehardwarefunctionmodulesofthesystemarebuilt，including the newspaper single-chip microcomputerandits minimumsystemunit，the wirelesstransmiting andreceiving module，，the motor driving module，the stering gear driving module，the electronic speed regulation module，the AD acquisition module，the soundandlightalarmmoduleandthekeymodule.Thesoftwareofdiferentfunctionalmodules isanalyzedanddesigned to drive the systemtowork normall.Thenthefeasibilityofthesystem is verifiedbysoftware simulation，andthetemperature andhumiditydetectionexperimentsarecariedoutonthephysicaldeviceinvolved.Theexperimentalresultsshowthatthe designedwaterwaycross-domainunmannedvehiclesystemhas thecharacteristicsof strongsensitivityandhighaccuracy.

Keywords：water and landcross-domain；unmanned aerial vehiclesystem；disaster assssment；hazardous rescue