王子涵，丁文斌，徐伊可，鮑潤成，李金偉，張 鑫，2*，馬國利，2

（1.濱州學(xué)院 航空工程學(xué)院，山東 濱州 256600；2.山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心，山東 濱州 256600）

無人機(jī)在日常生活與軍事領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如日常檢測、邊境偵查和航空測繪等。但無人機(jī)存在續(xù)航時(shí)間短、偽裝效果不佳等問題。為解決該問題，結(jié)合風(fēng)箏發(fā)電設(shè)計(jì)了自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)，風(fēng)箏在空中飛行時(shí)利用風(fēng)能與太陽能發(fā)電，并不間斷地提供給風(fēng)箏上的任務(wù)載荷，進(jìn)行長時(shí)間的工作，同時(shí)借助風(fēng)箏的長久駐空能力，完成相應(yīng)的檢測、偵察等任務(wù)，例如信息偵查、地形勘察和圖像傳感等。結(jié)合仿生技術(shù)，使風(fēng)箏能夠在空中實(shí)現(xiàn)隱蔽偽裝。在測試中，風(fēng)箏達(dá)到一定空中高度就可穩(wěn)定飛行，不需要人為長時(shí)間操作，便可在地面一直讀取檢測的數(shù)據(jù)，做到實(shí)時(shí)、不間斷和長時(shí)間監(jiān)測偵察。同時(shí)，又充分地利用了清潔能源，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于仿生空中無人偵察監(jiān)測系統(tǒng)，通過利用無人飛行器上的相關(guān)裝置，研究一款在高空利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電并進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的風(fēng)箏裝置。利用風(fēng)箏作為載體，合理地搭載發(fā)電系統(tǒng)與機(jī)載檢測設(shè)備，進(jìn)行空中作業(yè)。該裝置通過STC89C52 單片機(jī)芯片實(shí)時(shí)檢測各個(gè)供電支路的電能狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所處環(huán)境條件來選擇不同的發(fā)電方式。風(fēng)能發(fā)電供電裝置，包括扇葉、對風(fēng)裝置、傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)，搭配太陽能電池板，保證電能的持續(xù)供給。優(yōu)化風(fēng)箏結(jié)構(gòu)，使風(fēng)箏平穩(wěn)飛行且發(fā)電裝置穩(wěn)定發(fā)電，提高風(fēng)能利用率。通過發(fā)電設(shè)備，源源不斷地將電能輸送給單片機(jī)、攝像頭和傳感器等任務(wù)載荷，在空中完成相應(yīng)操作任務(wù)。自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)不僅能在空中充分利用清潔能源發(fā)電，并且還能提供給機(jī)載裝置使其各設(shè)備進(jìn)行工作，對地對空進(jìn)行長時(shí)間偵擦與檢測。利用該系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間長、自主供能和偽裝便捷等特點(diǎn)，在邊境等地區(qū)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測偵察等任務(wù)，尤其在軍事上具備廣泛的應(yīng)用前景。

在測試中，風(fēng)箏在空中達(dá)到一定高度就可穩(wěn)定飛行，不需要人為長時(shí)間操作，便可在地面一直讀取檢測的數(shù)據(jù)，做到不間斷檢測。在不間斷檢測的同時(shí)，又充分地利用了清潔能源，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。解決風(fēng)箏的穩(wěn)定性是一難題，風(fēng)箏的空中搖晃會導(dǎo)致地面接收數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，所以風(fēng)箏在空中平穩(wěn)尤為重要，為保證信號的傳輸，必須采用平穩(wěn)性強(qiáng)，受風(fēng)波動(dòng)影響小的風(fēng)箏。同時(shí)為保證風(fēng)箏的偽裝效果，要盡可能減小風(fēng)箏大小，但減小風(fēng)箏蒙面面積必然影響風(fēng)箏迎風(fēng)面積，導(dǎo)致風(fēng)箏穩(wěn)定性下降，操控難度上升。對此，應(yīng)盡量對風(fēng)箏外表偽裝進(jìn)行改進(jìn)，使用與監(jiān)測區(qū)域環(huán)境相融合的顏色對風(fēng)箏進(jìn)行偽裝，例如天空晴朗，可以利用藍(lán)色與白色進(jìn)行偽裝，也可采用透明復(fù)合材料設(shè)計(jì)風(fēng)箏。為便于對風(fēng)箏飛行姿態(tài)與穩(wěn)定性觀察，本文中系統(tǒng)載體為顏色較為鮮艷的風(fēng)箏。根據(jù)對風(fēng)箏飛行姿態(tài)與飛行性能的研究，采用三角形風(fēng)箏飛行性能較好，經(jīng)濟(jì)更加實(shí)惠，可適當(dāng)增大羽翼面積，采用彈性復(fù)合纖維做撐桿，來提高風(fēng)箏的飛行穩(wěn)定性。

在確保風(fēng)箏發(fā)電效果下，提高偵察能力，可以增加多種檢測裝置，采集更廣泛更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。隨著任務(wù)裝置重量的增加，也應(yīng)增加載體風(fēng)箏的受風(fēng)面積，提高風(fēng)箏的升力，可采用尼龍綢等輕盈韌性高的材料來做風(fēng)箏蒙面，來減輕風(fēng)箏質(zhì)量。利用風(fēng)箏作為載體，本設(shè)備可以固定在一定范圍內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)，解放雙手。利用清潔能源的不間斷供給，不需要更換電池，綠色環(huán)保。自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)不僅節(jié)約了人力物力，更節(jié)省時(shí)間。并且材料來源廣泛，制作成本低，操作簡單，不需要特殊培訓(xùn)，也間接節(jié)約了成本。檢測裝置不受限制，可根據(jù)檢測所需增加相應(yīng)的設(shè)備，沒有固定要求，簡單化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多樣化，功能更加豐富，如圖1 所示。

圖1 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電裝置由風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽能發(fā)電裝置組成。風(fēng)力發(fā)電裝置由水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電壓范圍在0～24 V，實(shí)驗(yàn)最大功率達(dá)到80 W，最大電流達(dá)到200 mA。太陽能發(fā)電裝置由兩塊太陽能電池板組成，最大電壓12 V；最大發(fā)電功率4 W；最大發(fā)電電流334 mA?？偘l(fā)電裝置最大發(fā)電電流534 mA，通過升壓模塊，最大輸出電壓48 V；效率大于93%。繼電器是一種電子控制器件，其具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，其實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器起到對蓄電池過沖保護(hù)作用，保護(hù)電池。LM2596S 帶數(shù)表顯示降壓穩(wěn)壓電源模塊：輸入電壓2.5～35 V；輸出電顯壓1.25～35 V；輸出電流3 A；轉(zhuǎn)換效率92%。將電壓降壓穩(wěn)壓后輸入單片機(jī)使任務(wù)載荷工作，如圖2 所示。

3 機(jī)載檢測設(shè)備

3.1 控制核心

以STC89C52 單片機(jī)作為控制核心。STC89C52 單片機(jī)是一款基于8 位處理芯片的系統(tǒng)。芯片內(nèi)集成了通用8 位中央處理器和ISPFlash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，速度更快。STC89C52 系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的兼容8052 內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代52 單片機(jī)，全新的流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器，由運(yùn)算器、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備等構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，可以控制多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)智能化。單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，成本低，如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)原理圖

3.2 傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器監(jiān)測系統(tǒng)以52 單片機(jī)作為核心控制器，主要應(yīng)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、串口通信技術(shù)、超聲波測距技術(shù)和藍(lán)牙信號傳輸技術(shù)。溫濕度傳感器、紅外檢測模塊和煙霧傳感器作為任務(wù)載荷，構(gòu)成檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為主控制電路、液晶顯示接口電路、串口通信接口電路、溫濕度傳感器接口電路和藍(lán)牙信號發(fā)射電路。使用的主要器件有52 單片機(jī)、溫濕度傳感器SHT11、LCD12864 液晶顯示模塊、人體紅外檢測模塊、煙霧傳感器、藍(lán)牙發(fā)射模塊、圖傳設(shè)備和繼電器等。52 單片機(jī)整理數(shù)據(jù)后通過藍(lán)牙模塊傳送至地面接收器（手機(jī)）。52 單片機(jī)系統(tǒng)由微控制器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成，速度快。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路，2 路PWM（脈沖寬度調(diào)制），8f 路高速，10 位A/D 轉(zhuǎn)換（250 K/S，即25 萬次/秒），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。PM2.5檢測儀采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，價(jià)格合適，同時(shí)具有斷電自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能。有EEPROM 功能，外部中斷I/O 口7 路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)斷，并新增加支持上升沿中斷的PCA 模塊，PowerDown 模式可由外部中斷喚醒。通用的全雙工異步串行口，如圖4 所示。

圖4 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)

4 創(chuàng)新及應(yīng)用點(diǎn)

通過風(fēng)箏搭載風(fēng)力發(fā)電裝置、太陽能板和任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽能利用與執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。解決風(fēng)箏的穩(wěn)定性是一難題，風(fēng)箏的空中搖晃導(dǎo)致地面接收數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，風(fēng)箏在空中平穩(wěn)尤為重要，為保證信號的傳輸，必須采用平穩(wěn)性強(qiáng)、受風(fēng)影響小的風(fēng)箏。同時(shí)為保證風(fēng)箏的偽裝效果，應(yīng)盡可能減小風(fēng)箏面積，在確保風(fēng)箏發(fā)電效果下，提高偵察能力，因此可以增加多種檢測裝置，采集更廣泛更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。利用風(fēng)箏作為載體，本設(shè)備可以固定在一定范圍內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)，解放雙手，利用清潔能源的不間斷供給，不需要更換電池，綠色環(huán)保。本設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了人力物力，更節(jié)省時(shí)間。并且材料來源廣泛，制作成本低，操作簡單，不需要特殊培訓(xùn)，也間接節(jié)約了成本。檢測裝置不受限制，可根據(jù)檢測所需，增加相應(yīng)的設(shè)備，沒有固定要求，簡單的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多樣化，功能更加豐富（如圖5 所示）。

圖5 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)整體實(shí)物圖

該自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）選用風(fēng)箏作為飛行載體，設(shè)計(jì)自發(fā)電自供給的仿生風(fēng)箏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低成本、長時(shí)間駐空。

2）材料來源廣泛，成本低；可回收性強(qiáng)，綠色環(huán)保。

3）普及性較高，便于偽裝與偵察。

4）操作簡單不需要特殊培訓(xùn)。

5）采集風(fēng)能與太陽能轉(zhuǎn)化為所需的電能，有效利用清潔能源，做到節(jié)能減排。

6）應(yīng)用廣泛，上到軍事科技，下到日常生活。

5 結(jié)束語

本文主要闡述了低成本空中長久監(jiān)測偵察飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)在空中長久監(jiān)測偵察上不同于以往使用的飛行器，在空中充分利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備長久工作，讓監(jiān)測偵察時(shí)間不局限于電池電量，實(shí)時(shí)監(jiān)測偵察的數(shù)據(jù)可無間斷傳輸?shù)降孛嬖O(shè)施，而且還可根據(jù)檢測的需求增加不同的模塊進(jìn)行監(jiān)測，得到所需要的數(shù)據(jù)。采用仿生風(fēng)箏為空中載具，可以駐空長久飛行。在研究中，設(shè)備獲取的信息不間斷地提供給地面，得到完整精確的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可分析性。該設(shè)備能夠?qū)Φ孛婧涂罩羞M(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測偵察，解決了監(jiān)測偵察時(shí)間短的難題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。