具有聲光系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

張維迪 黃漢強(qiáng) 賴明治 蒙祥達(dá)

[摘? ? 要]針對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)存在的搜救作業(yè)效率低下和容易發(fā)生二次傷害等不足，研究了一款增添了聲光系統(tǒng)的新式無(wú)人機(jī)——戶外小精靈，主要討論了戶外小精靈的應(yīng)用。以一系列具體的實(shí)例為主，通過(guò)與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)在事件中的應(yīng)用作對(duì)比，從而展現(xiàn)出戶外小精靈的優(yōu)勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人機(jī);戶外小精靈;搜救;聲光系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TP751 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）10–00–03

Application of Unmanned Aerial Vehicle With Acousto-optic System

Zhang Wei-di，Huang Han-qiang，Lai Ming-zhi，Meng Xiang-da

[Abstract]Aiming at the inefficiency of search and rescue operation and the vulnerability to secondary damage， a new unmanned aerial vehicle （UAV）——Outdoor elf. This paper mainly discusses the application of outdoor elves. A series of concrete examples are used to show the advantages of outdoor elves by comparing with the traditional UAV in the event.

[Keywords]UAV; Outdoor elf; search and rescue; sound and light system

1 無(wú)人機(jī)的利用現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)是一種不載人的，可重復(fù)利用以及具有自主飛行能力的新型飛行器，隨著當(dāng)前高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)在科研及監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用也十分廣泛，憑借無(wú)人機(jī)攜帶高分辨率攝像機(jī)表現(xiàn)出優(yōu)秀快速航測(cè)反應(yīng)能力以及其體積較小便于攜帶、工作效率高、攝像頭穩(wěn)定性好、機(jī)身機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在國(guó)土航測(cè)、影視航拍、新聞報(bào)道、農(nóng)業(yè)植保、城市規(guī)劃、地質(zhì)勘探、大氣探測(cè)、災(zāi)難救援、國(guó)防安全等領(lǐng)域都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的發(fā)展勁頭，尤其是在災(zāi)難救援領(lǐng)域內(nèi)，從512汶川大地震、大連泄油事件、義馬氣化廠爆炸事故等無(wú)人機(jī)都發(fā)揮了重要的作用。

1.2 傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的不足

無(wú)人機(jī)雖然有著很多的優(yōu)勢(shì)，但是也有其缺點(diǎn)所在。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力一般在20～30min之間，且其承載能力有限;傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)只限制在攝像頭畫(huà)面的傳輸，沒(méi)有喊話發(fā)聲的系統(tǒng)模塊;傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)的不可靠性高，抗風(fēng)能力相對(duì)較差，如遇大風(fēng)等特殊天氣，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)受到干擾，容易偏離航線，并且不易尋找;傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)沒(méi)有燈光模塊，無(wú)法在較暗的環(huán)境中進(jìn)行正常高效的飛行，大大限制了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用。

1.3 無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾個(gè)部分：飛行控制技術(shù)、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)、動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)。

1.3.1 飛行控制技術(shù)

自飛控系統(tǒng)誕生以來(lái)，飛控系統(tǒng)就是直接影響飛行品質(zhì)的關(guān)鍵系統(tǒng)，飛行控制律的設(shè)計(jì)又是飛控系統(tǒng)的核心技術(shù)。下面簡(jiǎn)介幾種控制方法：

1.3.1.1? PID控制

PID控制器是最早實(shí)用化，目前應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，主要由比例控制、積分控制與微分控制組成，在使用中并不需要精確地?cái)?shù)學(xué)模型且只需要設(shè)定三個(gè)參數(shù)，更具有可靠性、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著被控制對(duì)象（無(wú)人機(jī)等）愈加復(fù)雜，單一PID應(yīng)用的局限性越來(lái)越明顯，比如傳統(tǒng)PID參數(shù)確定復(fù)雜、難以適應(yīng)非線性控制系統(tǒng)、抗干擾性能差等。因此隨著智能算法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些復(fù)合PID控制器應(yīng)運(yùn)而生。

1.3.1.2? 魯棒控制

1972年，Davison首次提出了魯棒控制。魯棒性是指控制系統(tǒng)的健壯性。用以表示控制系統(tǒng)對(duì)特性或者參數(shù)擾動(dòng)的不敏感性，是異?；蛭ｋU(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。相應(yīng)的，魯棒控制就是指一個(gè)以提高控制算法可靠性為主要目標(biāo)的控制器設(shè)計(jì)方法。但是由于魯棒控制一般工作在系統(tǒng)的較差狀態(tài)下，因此也會(huì)造成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度較差的問(wèn)題，控制器階數(shù)過(guò)高，控制系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜也是其一大缺點(diǎn)。

1.3.1.3? 動(dòng)態(tài)逆控制

動(dòng)態(tài)逆方法是反饋線性化方法中的一種，屬于偽線性系統(tǒng)。其基本思想是利用全狀態(tài)反饋抵消原系統(tǒng)中的非線性特性，用偽線性系統(tǒng)來(lái)描述輸入輸出之間的關(guān)系，從而利用線性控制律對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行控制，線性控制律和非線性反饋律也就是最終的非線性控制系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)逆控制能夠滿足大迎角、超機(jī)動(dòng)等非常規(guī)控制要求，但是其對(duì)建模精確度要求極高，建模誤差的存在將影響其控制性能，甚至是惡化。而通過(guò)與其他控制方法結(jié)合可以很大程度上改善這一問(wèn)題。

1.3.1.4? 反步控制

反步法，又稱(chēng)反演設(shè)計(jì)法，是一種非線性系統(tǒng)自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)方法。該方法以用若干個(gè)子系統(tǒng)來(lái)代替復(fù)雜的高維非線性系統(tǒng)為基本思想，通過(guò)反向遞推各子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全調(diào)節(jié)或跟蹤，最終達(dá)到期望的性能指標(biāo)。該方法可以有效地利用非線性系統(tǒng)本身固有的非線性特性，保持全局的穩(wěn)定性，使得控制效果得到極大地提升。

1.3.1.5? 滑膜變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制的思想主體內(nèi)容為滑膜變結(jié)構(gòu)控制。其設(shè)計(jì)思想為：控制器根據(jù)系統(tǒng)輸出變化，按照一定的內(nèi)部反饋控制結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)狀態(tài)從狀態(tài)空間中的任一點(diǎn)向滑膜面收斂，并在滑模面上滑動(dòng)，最終達(dá)到平衡點(diǎn)。該控制器的設(shè)計(jì)核心在于滑平面的選取與切換函數(shù)的設(shè)計(jì)?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制魯棒性較強(qiáng)，對(duì)模型誤差、參數(shù)不確定性和外部干擾反應(yīng)遲鈍。但其也存在一個(gè)固有缺點(diǎn)——外界干擾與系統(tǒng)慣性帶來(lái)的沿滑模面的高頻抖動(dòng)?；Ｃ娴倪x取在一定程度上可以解決這一問(wèn)題，因此這也成為滑膜變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中的一大難點(diǎn)。

1.3.2 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，總的來(lái)說(shuō)，相對(duì)于有人機(jī)，無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中各種安全系數(shù)的閾值普遍偏低。無(wú)人機(jī)由于不需要考慮飛行員的安全問(wèn)題，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔明確，降低了對(duì)機(jī)體安全裕度的控制要求。

（2）機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化、整體化程度高。擺脫有人機(jī)的諸多限制，無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的模塊化與整體化更進(jìn)一步。將細(xì)小零件整合設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)的連接件、緊固件，可以減少結(jié)構(gòu)集中應(yīng)力區(qū)域數(shù)量，同時(shí)也可以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性特性的連續(xù)性，增強(qiáng)了機(jī)體結(jié)構(gòu)可靠性。

（3）載荷艙設(shè)計(jì)所占比重增大。無(wú)人機(jī)的載荷決定了其所能完成的任務(wù)種類(lèi)以及效果。

2 聲光無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 燈光設(shè)計(jì)

2.1.1 燈光介紹

LED，俗稱(chēng)發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端是連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。

2.1.2 發(fā)光原理

當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，會(huì)在P-N結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，通過(guò)發(fā)光核心的過(guò)渡層使其少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，產(chǎn)生多余的能量并以光的形式釋放出來(lái)，從而使燈光裝置發(fā)光。

2.2 聲控設(shè)計(jì)

2.2.1 發(fā)生功能

在高層建筑輕生現(xiàn)場(chǎng)以及引導(dǎo)人員疏散等救援現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)常由于現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛人員擁擠，聲音嘈雜。導(dǎo)致救援人員使用的擴(kuò)音器的效用降低。此時(shí)，使用無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的高空喊話增強(qiáng)被救助者的信心，提高救援的效率。

2.2.2 調(diào)試過(guò)程

成焊接成功以后，在安全的情況下插入儲(chǔ)存卡，調(diào)試電位器。看有無(wú)其他雜音。確定雙聲道輸出音質(zhì)正常后，拔出儲(chǔ)存卡。安裝電池板。在焊接未成功的情況下，仔細(xì)使用萬(wàn)用表檢測(cè)電路有無(wú)短（斷）路情況，以及檢查各元器件正負(fù)板有無(wú)接反情況。之后將該裝置安裝在飛控上方的機(jī)架上，并且接通手機(jī)藍(lán)牙，對(duì)手機(jī)進(jìn)行喊話，聲音從無(wú)人機(jī)的發(fā)聲裝置傳出，成功發(fā)聲。

2.3 設(shè)計(jì)流程

圖1為聲光無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)流程，四旋翼無(wú)人機(jī)的基本系統(tǒng);由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)以及機(jī)架構(gòu)成，其中還包括燈管裝置、聲音裝置以及操控裝置。

3 應(yīng)用實(shí)例

（1）隨著無(wú)人機(jī)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在測(cè)繪領(lǐng)域內(nèi)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，但是使用傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)及設(shè)備方面的問(wèn)題。在使用GPS追蹤定位中，無(wú)人機(jī)主要用于遠(yuǎn)距離的作業(yè)。使用傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行追蹤定位時(shí)，無(wú)人機(jī)的升空距離有限，飛行條件苛刻，如果進(jìn)行超視距作業(yè)，則會(huì)超出數(shù)據(jù)的有效通信范圍或者受到遮擋而中斷數(shù)連接，從而導(dǎo)致飛控信號(hào)中斷無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的位置，且發(fā)生意外情況下無(wú)法獲取無(wú)人機(jī)的位置，使得搜尋任務(wù)難度較大。

本文設(shè)計(jì)研制的具有聲光裝置功能的四旋翼無(wú)人機(jī)——戶外小精靈，能夠有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)位置的實(shí)時(shí)獲取和回傳，使用戶可在手持設(shè)備端或管理中心直觀監(jiān)管飛機(jī)動(dòng)態(tài)。在進(jìn)行超視距作業(yè)時(shí)，可以通過(guò)控制聲光裝置進(jìn)行發(fā)光發(fā)聲，有效定位無(wú)人機(jī)的位置，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的情況等。并且能夠解決判別作業(yè)環(huán)境，無(wú)人機(jī)故障丟失后難以尋找等問(wèn)題。此外，還可以利用本文設(shè)計(jì)的具有聲光裝置的無(wú)人機(jī)結(jié)合衛(wèi)星定位，基站定位，通訊網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)追蹤和手機(jī)定位，并且可以搭建無(wú)人機(jī)追蹤系統(tǒng)平臺(tái)等等。

（2）2020年1月全國(guó)新冠肺炎疫情爆發(fā)以來(lái)，各地通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行防疫物資配送、城市鄉(xiāng)村疫情巡查、抗疫專(zhuān)門(mén)醫(yī)院建設(shè)等方式，第一次將無(wú)人機(jī)作業(yè)全面應(yīng)用于國(guó)家公共應(yīng)急防疫中，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的“無(wú)接觸”運(yùn)行，提高了防疫工作效率，減少了因人員聚集和接觸帶來(lái)的病毒擴(kuò)散。此外無(wú)人機(jī)作業(yè)還多應(yīng)用于搜救等公共服務(wù)中。

①大多數(shù)自然災(zāi)害及突發(fā)事故現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜多變，大型的偵查搜救設(shè)備無(wú)法進(jìn)入，為有效保障搜救人員的安全，在搜救作業(yè)時(shí)通常使用無(wú)人機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察。使用傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜救勘察，仍然存在一些弊端，例如無(wú)法檢測(cè)到障礙物下的受難人員，無(wú)法在夜晚進(jìn)行緊急搜救等等。

戶外小精靈是具有聲光裝置的無(wú)人機(jī)可以有效解決此類(lèi)問(wèn)題，還可基于此類(lèi)無(wú)人機(jī)搭載生命探測(cè)等特殊設(shè)備，形成空中搜救探測(cè)體系，有利于更高效準(zhǔn)確的展開(kāi)搜救，減少不必要的傷亡。

②實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)事故高發(fā)且交通擁堵的高架橋發(fā)生一起嚴(yán)重的交通事故，且由于交通事故而導(dǎo)致高架擁堵，大量汽車(chē)被困于道路上。為防止交通癱瘓，受傷人員危及生命，此時(shí)啟用無(wú)人機(jī)進(jìn)行空中喊話疏通道路。遙控人員對(duì)遙控進(jìn)行喊話后，聲音立即從無(wú)人機(jī)上的發(fā)聲模塊發(fā)出，音量適中，喊話內(nèi)容清晰。交通管理人員通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)視角下各個(gè)車(chē)輛以及道路的分布情況，通過(guò)喊話對(duì)車(chē)輛進(jìn)行有效疏通，進(jìn)而高效的解決交通事故。

4 應(yīng)用前景

4.1 山林搜救

在不通電的山林地區(qū)進(jìn)行夜間野外復(fù)雜地形的移動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)的燈光裝置可以通過(guò)照明，可獲取山區(qū)森林的基本面貌，在夜晚進(jìn)行搜救作業(yè)，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喊話，讓搜救人員能夠在黑暗的地區(qū)快速安全的通過(guò)，使得被困人員能夠更快的被搜救人員找到，提升了夜間突發(fā)事件和搜救的處置能力和效率。

4.2 災(zāi)情傳遞

在大范圍的地區(qū)發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，戶外小精靈的發(fā)聲喊話裝置可以及時(shí)傳遞災(zāi)情，保障救災(zāi)的指揮調(diào)度，滿足災(zāi)區(qū)民眾的聯(lián)絡(luò)需求，同時(shí)可以進(jìn)行喊話向公眾廣播。

4.3 礦區(qū)監(jiān)管

戶外小精靈具有聲音裝置的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需接觸危險(xiǎn)區(qū)就可以獲取陡峭山坡的周邊環(huán)境信息，觀測(cè)礦區(qū)山體的勘探情況與滑坡情況，從而遠(yuǎn)程對(duì)礦區(qū)工人進(jìn)行高空喊話作業(yè)，確保對(duì)礦區(qū)的開(kāi)發(fā)能夠安全有效的進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)是是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機(jī)，包括無(wú)人直升機(jī)、固定翼機(jī)、多旋翼飛行器、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)。本文通過(guò)對(duì)聲光系統(tǒng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，提出了本設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張挺.美國(guó)軍用無(wú)人機(jī)發(fā)展概述[J].電光系統(tǒng)，2013（3）：17-22.