江超 郭凱 黃關(guān)中 謝祥平 潘陳華 管芳

【摘 ?要】據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，近年來工業(yè)無人機市場規(guī)模的增長速度非?？?，國內(nèi)工業(yè)無人機市場規(guī)模的增長速度基本在50%左右，全球工業(yè)無人機市場規(guī)模的增長速度每年基本在20%左右。由于無人機的高機動性的優(yōu)勢和現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人機將成為未來重點發(fā)展對象之一。同時，安防警用無人機也隨之進入市場。安防無人機將完成應(yīng)急處理、活動安保、偵察搜捕、交通管理、緊急救援等任務(wù)。同時，隨著四旋翼無人機公司的興起，越來越成熟的技術(shù)給當下無人機市場的打開提供了條件。

【Abstract】According to relevant statistics， the market size of industrial UAV has been growing rapidly in recent years. The domestic market size of industrial UAV has been growing at about 50%， while the global market size of industrial UAV has been growing at about 20% every year. Due to the advantages of high maneuverability and the development of modern technology， UAV will become one of the key development objects in the future. At the same time， security and police UAV are also entering the market. The security and defense UAV will carry out tasks such as emergency processing， activity security， reconnaissance and manhunt， traffic management and emergency rescue. At the same time， with the rise of four-rotor UAV companies， more and more mature technologies provide conditions for the opening of the current UAV market.

【關(guān)鍵詞】無人機;安防;四旋翼

【Keywords】UAV; security and defense; four-rotor

【中圖分類號】TP273;V279 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）04-0178-02

1 研發(fā)背景與意義

在當下無人機新興市場下，無人機的高機動性為其在方方面面的領(lǐng)域提供了很大的優(yōu)勢。尤其自2013年以后，無人機民用化更是刺激無人機市場，各種不同類型的無人機紛紛出品。

在國外警用無人機以形成產(chǎn)品鏈的同時，我們對無人機進行改造。實現(xiàn)無人機追蹤打擊的功能。在此基礎(chǔ)上，進行創(chuàng)業(yè)實踐。利用快速響應(yīng)、時效性強等優(yōu)點打開無人機安防應(yīng)用市場，聯(lián)合軍方或警方，進行實驗，打開市場。

2 無人機需求分析

飛行穩(wěn)定動力強，云臺響應(yīng)速度快，識別目標的準確性高。

3 可行方案

3.1 動力方案

無人機動力由6個大疆E2000PRO動力系統(tǒng)組成，E2000PRO動力系統(tǒng)的電機電調(diào)進行一體化整合，適配直徑28mm的碳管，能更便捷地完成裝機，進行專業(yè)飛行。動力系統(tǒng)的6010 Standard/Pro電機核心的軸承系統(tǒng)采用了嚴格密封處理，可隔絕雨水、農(nóng)藥，甚至鹽霧等液體腐蝕。E2000動力系統(tǒng)單軸最大拉力為5.1kg，動力強勁，載重量大，續(xù)航久，提供快速響應(yīng)以及靈活的功能。由于此需要48V的電壓驅(qū)動，本方案中搭載了6塊DJI TB47D/TB48D 電池。

3.2 結(jié)構(gòu)方案

采用兩軸四旋翼結(jié)構(gòu)，旋翼對稱分布在機體的前、后、左、右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼結(jié)構(gòu)相同，電機對稱安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和云臺設(shè)備。

四旋翼無人機為當下多旋翼無人機主流設(shè)定，操控方便、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單，若電機、電子調(diào)速器、電池、槳和機架部分等零件損壞，也很容易替換。

3.3 電控方案

控制系統(tǒng)分為動力控制系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)以及云臺系統(tǒng)[1]。分別采用N3飛控、Guidance視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)、STM32單片機。N3多旋翼飛控系統(tǒng)采用DJI大疆最新的控制導(dǎo)航算法，新增的內(nèi)置雙IMU冗余設(shè)計，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時互為備份，結(jié)合全新內(nèi)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計，賦予飛行器高可靠性;“黑匣子”數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)為飛行性能分析提供精準數(shù)據(jù)支持，同時，對于包括 Lightbridge 2、DJI Assistant 2等在內(nèi)的一系列 DJI大疆配件、高性能軟件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能導(dǎo)航模塊的支持，可幫助飛行器實現(xiàn)豐富的應(yīng)用擴展。

導(dǎo)航控制系統(tǒng)由N3飛控配合Guidance實現(xiàn)，N3飛控通過CAN總線連接Guidance系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理。Guidance是一款全新的視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)，可感知附近障礙物，讓飛行器主動躲避。它內(nèi)置功能強大的處理核心，配備五組視覺超聲波組合傳感器，輔以先進的視覺算法，使飛行更安全、可控，不依賴GPS，可以在室內(nèi)平穩(wěn)飛行，大大增強了安防無人機的實用性。

云臺系統(tǒng)基于STM32F427單片機，搭載WT931九軸高精度陀螺儀，通過CAN總線通訊控制Pitch軸云臺電機和獲取Pitch軸云臺電機的角度和電流值，通過CAN總線與主控通訊以獲取云臺俯仰角度，通過PWM輸出控制云臺的無刷摩擦輪電機的電調(diào)和撥彈電機的轉(zhuǎn)速，通過串口獲取WT931傳感器的運動數(shù)據(jù)。根據(jù)WT931的運動數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波和角度融合來計算出Pitch軸的角速度，并使用PID控制算法來閉速度環(huán)。然后根據(jù)云臺電機返回的角度值并使用PID控制算法來閉位置環(huán)，進而使Pitch軸云臺準確并快速到達所需的Pitch角度。

3.4 視覺方案

視覺系統(tǒng)使用Jetson TX2平臺和大華工業(yè)相機，使用OpenCV對工業(yè)相機獲得的圖片進行處理，根據(jù)目標特征，對圖像中目標物體進行顏色二值化和特征匹配處理，找到目標物體，尋找到目標用tracking追蹤器對目標進行穩(wěn)定追蹤，利用SVM確認是否識別正確目標。根據(jù)實時情況建立目標對象的坐標，以旋轉(zhuǎn)中心為基坐標系，可計算出各個目標的世界坐標，可進行精確定位，再計算出運動軌跡，向主控發(fā)送期待角度;串口通信線程TX2和主控相互通信，互傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動瞄準特定目標。

4 云臺詳細設(shè)計

4.1 云臺技術(shù)參數(shù)

云臺Yaw軸、ROLL軸采用GM6020云臺電機，便于供彈鏈路的設(shè)計。Pitch軸采用 RMD7015云臺電機，相較于GM3510云臺電機，RMD7015重量較大，轉(zhuǎn)動慣量較大，但是更大的扭矩可以更好地抑制彈丸發(fā)射導(dǎo)致的震動，提高射擊精度。發(fā)射機構(gòu)采用無槍管的射擊，使用大疆M3508電機，KV值為 960kV，搭配C620電調(diào)， C620電調(diào)供電電壓 24V，電調(diào)20A，則電機運行轉(zhuǎn)速為n=960×24=23040rpm，定制弧形摩擦輪，在高速狀態(tài)下，對摩擦輪接觸部分的材料要求比較高，選擇不好的話可能由于離心力的作用而膨脹， 繼而造成劇烈的振動，導(dǎo)致發(fā)射出的子彈無論是從速度還是穩(wěn)定性來說都不好。經(jīng)測試，選擇的摩擦輪材料為硅膠，硬度大概為邵氏 50～60°。實測在較高的電壓下，射速浮動更小。摩擦輪發(fā)球機構(gòu)由送球機構(gòu)送上來的子彈經(jīng)過一對旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從子彈進入開始與摩擦輪接觸到與摩擦輪分開，在此期間，排球?qū)⑹艿侥Σ凛喌哪Σ亮蛪毫Φ淖饔?，以此來完成加速過程，最終射出，動量定理的計算公式為：

f△t=m△v=m（v1-v0）

式中，v0為子彈的初速度，即進入摩擦輪時的速度;v1為子彈從摩擦輪中射出的速度。

△v=f△t/m=v1-v0

設(shè)v0=0，則v1=△v，△v與f和△t有關(guān)，m是子彈的質(zhì)量，在這里是常數(shù)。實際上，增大摩擦輪的轉(zhuǎn)速和摩擦力，到了一定程度時，子彈的最終速度將不會增大，也就是△v達到了最大值，但是小于摩擦輪邊緣的線速度。

預(yù)置彈限位采用塑料限位片，壽命較短，大約在1萬發(fā)內(nèi)可以保證射擊精度。經(jīng)測試，最小包圍散布為56mm，實際最優(yōu)情況下可以達到38mm的最小包圍散布。

4.2 云臺發(fā)射機構(gòu)設(shè)計

云臺發(fā)射機構(gòu)由供彈系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)組成。供彈系統(tǒng)通過撥彈盤電機輸送彈珠到發(fā)射系統(tǒng)。撥彈盤電機使用大疆M2006電機，搭配C610電調(diào)。發(fā)射系統(tǒng)由兩個摩擦輪電機組成，通過擠壓彈珠，完成發(fā)射過程。摩擦輪電機使用大疆M3508，搭配C620電調(diào)。發(fā)射機構(gòu)整體設(shè)計的中心思想是讓彈倉的幾何中心穿過pitch軸，以及讓火線與pitch軸相交[2]。要求摩擦輪電機轉(zhuǎn)速一致，如果摩擦輪的質(zhì)心不在轉(zhuǎn)動軸上或者離轉(zhuǎn)動軸很遠，此時的摩擦輪實際上是一個偏心輪。高速情況下會產(chǎn)生劇烈的振動，摩擦輪對稱精度必須要高，要求撥彈盤電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，這樣能保證子彈推入摩擦輪前狀態(tài)的一致性，有助于彈道的穩(wěn)定。

4.3 云臺彈倉設(shè)計

彈倉的整體設(shè)計思想是讓彈倉的幾何中心穿過pitch軸，可以保證彈丸數(shù)量變化不會改變發(fā)射機構(gòu)的重心，即不產(chǎn)生額外的扭矩，減輕pitch軸電機負擔，降低調(diào)試難度。采用支架結(jié)合網(wǎng)狀側(cè)壁結(jié)構(gòu)，即可保證云臺的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也可以減輕重量，彈倉與云臺分離，向下供彈，減少YAW軸電機負重，提高云臺響應(yīng)。

5 結(jié)語

安防無人機在普通四旋翼無人機的基礎(chǔ)上增加了識別打擊功能，火控系統(tǒng)可由人或Tx2端雙向決策保證了安全性。

【參考文獻】

【1】張玉乾.無人機主動防御系統(tǒng)在成品油庫區(qū)的安防應(yīng)用研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2019，39（22）：203-204+206.

【2】田小壯，石輝，曾慶松，等.基于圖像處理的變電站周界無人機安防巡邏系統(tǒng)研究[J].東北電力技術(shù)，2019，40（08）：29-31+34.