對(duì)安防無(wú)人機(jī)技術(shù)的探究

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(jì)顯示，近年來(lái)工業(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)速度非?？欤瑖?guó)內(nèi)工業(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)速度基本在50%左右，全球工業(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)速度每年基本在20%左右。由于無(wú)人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)將成為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象之一。同時(shí)，安防警用無(wú)人機(jī)也隨之進(jìn)入市場(chǎng)。安防無(wú)人機(jī)將完成應(yīng)急處理、活動(dòng)安保、偵察搜捕、交通管理、緊急救援等任務(wù)。同時(shí)，隨著四旋翼無(wú)人機(jī)公司的興起，越來(lái)越成熟的技術(shù)給當(dāng)下無(wú)人機(jī)市場(chǎng)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(wú)人機(jī);安防;四旋翼

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

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

1 研發(fā)背景與意義

在當(dāng)下無(wú)人機(jī)新興市場(chǎng)下，無(wú)人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性為其在方方面面的領(lǐng)域提供了很大的優(yōu)勢(shì)。尤其自2013年以后，無(wú)人機(jī)民用化更是刺激無(wú)人機(jī)市場(chǎng)，各種不同類型的無(wú)人機(jī)紛紛出品。

在國(guó)外警用無(wú)人機(jī)以形成產(chǎn)品鏈的同時(shí)，我們對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行改造。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)追蹤打擊的功能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)業(yè)實(shí)踐。利用快速響應(yīng)、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)打開無(wú)人機(jī)安防應(yīng)用市場(chǎng)，聯(lián)合軍方或警方，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打開市場(chǎng)。

2 無(wú)人機(jī)需求分析

飛行穩(wěn)定動(dòng)力強(qiáng)，云臺(tái)響應(yīng)速度快，識(shí)別目標(biāo)的準(zhǔn)確性高。

3 可行方案

3.1 動(dòng)力方案

無(wú)人機(jī)動(dòng)力由6個(gè)大疆E2000PRO動(dòng)力系統(tǒng)組成，E2000PRO動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)電調(diào)進(jìn)行一體化整合，適配直徑28mm的碳管，能更便捷地完成裝機(jī)，進(jìn)行專業(yè)飛行。動(dòng)力系統(tǒng)的6010 Standard/Pro電機(jī)核心的軸承系統(tǒng)采用了嚴(yán)格密封處理，可隔絕雨水、農(nóng)藥，甚至鹽霧等液體腐蝕。E2000動(dòng)力系統(tǒng)單軸最大拉力為5.1kg，動(dòng)力強(qiáng)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(dòng)，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(duì)稱分布在機(jī)體的前、后、左、右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼結(jié)構(gòu)相同，電機(jī)對(duì)稱安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和云臺(tái)設(shè)備。

四旋翼無(wú)人機(jī)為當(dāng)下多旋翼無(wú)人機(jī)主流設(shè)定，操控方便、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若電機(jī)、電子調(diào)速器、電池、槳和機(jī)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(dòng)力控制系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)以及云臺(tái)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(jī)。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(jì)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)互為備份，結(jié)合全新內(nèi)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(zhǔn)數(shù)據(jù)支持，同時(shí)，對(duì)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(shí)現(xiàn)豐富的應(yīng)用擴(kuò)展。

導(dǎo)航控制系統(tǒng)由N3飛控配合Guidance實(shí)現(xiàn)，N3飛控通過CAN總線連接Guidance系統(tǒng)，進(jìn)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(dòng)躲避。它內(nèi)置功能強(qiáng)大的處理核心，配備五組視覺超聲波組合傳感器，輔以先進(jìn)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(qiáng)了安防無(wú)人機(jī)的實(shí)用性。

云臺(tái)系統(tǒng)基于STM32F427單片機(jī)，搭載WT931九軸高精度陀螺儀，通過CAN總線通訊控制Pitch軸云臺(tái)電機(jī)和獲取Pitch軸云臺(tái)電機(jī)的角度和電流值，通過CAN總線與主控通訊以獲取云臺(tái)俯仰角度，通過PWM輸出控制云臺(tái)的無(wú)刷摩擦輪電機(jī)的電調(diào)和撥彈電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過串口獲取WT931傳感器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)WT931的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波和角度融合來(lái)計(jì)算出Pitch軸的角速度，并使用PID控制算法來(lái)閉速度環(huán)。然后根據(jù)云臺(tái)電機(jī)返回的角度值并使用PID控制算法來(lái)閉位置環(huán)，進(jìn)而使Pitch軸云臺(tái)準(zhǔn)確并快速到達(dá)所需的Pitch角度。

3.4 視覺方案

視覺系統(tǒng)使用Jetson TX2平臺(tái)和大華工業(yè)相機(jī)，使用OpenCV對(duì)工業(yè)相機(jī)獲得的圖片進(jìn)行處理，根據(jù)目標(biāo)特征，對(duì)圖像中目標(biāo)物體進(jìn)行顏色二值化和特征匹配處理，找到目標(biāo)物體，尋找到目標(biāo)用tracking追蹤器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定追蹤，利用SVM確認(rèn)是否識(shí)別正確目標(biāo)。根據(jù)實(shí)時(shí)情況建立目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)，以旋轉(zhuǎn)中心為基坐標(biāo)系，可計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)的世界坐標(biāo)，可進(jìn)行精確定位，再計(jì)算出運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)特定目標(biāo)。

4 云臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 云臺(tái)技術(shù)參數(shù)

云臺(tái)Yaw軸、ROLL軸采用GM6020云臺(tái)電機(jī)，便于供彈鏈路的設(shè)計(jì)。Pitch軸采用 RMD7015云臺(tái)電機(jī)，相較于GM3510云臺(tái)電機(jī)，RMD7015重量較大，轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)，提高射擊精度。發(fā)射機(jī)構(gòu)采用無(wú)槍管的射擊，使用大疆M3508電機(jī)，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(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n=960×24=23040rpm，定制弧形摩擦輪，在高速狀態(tài)下，對(duì)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(dòng)，導(dǎo)致發(fā)射出的子彈無(wú)論是從速度還是穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)都不好。經(jīng)測(cè)試，選擇的摩擦輪材料為硅膠，硬度大概為邵氏 50～60°。實(shí)測(cè)在較高的電壓下，射速浮動(dòng)更小。摩擦輪發(fā)球機(jī)構(gòu)由送球機(jī)構(gòu)送上來(lái)的子彈經(jīng)過一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從子彈進(jìn)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?lái)完成加速過程，最終射出，動(dòng)量定理的計(jì)算公式為：

f△t=m△v=m（v1-v0）

式中，v0為子彈的初速度，即進(jìn)入摩擦輪時(shí)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(shí)際上，增大摩擦輪的轉(zhuǎn)速和摩擦力，到了一定程度時(shí)，子彈的最終速度將不會(huì)增大，也就是△v達(dá)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(wàn)發(fā)內(nèi)可以保證射擊精度。經(jīng)測(cè)試，最小包圍散布為56mm，實(shí)際最優(yōu)情況下可以達(dá)到38mm的最小包圍散布。

4.2 云臺(tái)發(fā)射機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

云臺(tái)發(fā)射機(jī)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(jī)輸送彈珠到發(fā)射系統(tǒng)。撥彈盤電機(jī)使用大疆M2006電機(jī)，搭配C610電調(diào)。發(fā)射系統(tǒng)由兩個(gè)摩擦輪電機(jī)組成，通過擠壓彈珠，完成發(fā)射過程。摩擦輪電機(jī)使用大疆M3508，搭配C620電調(diào)。發(fā)射機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的中心思想是讓彈倉(cāng)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(jī)轉(zhuǎn)速一致，如果摩擦輪的質(zhì)心不在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上或者離轉(zhuǎn)動(dòng)軸很遠(yuǎn)，此時(shí)的摩擦輪實(shí)際上是一個(gè)偏心輪。高速情況下會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，摩擦輪對(duì)稱精度必須要高，要求撥彈盤電機(jī)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(tái)彈倉(cāng)設(shè)計(jì)

彈倉(cāng)的整體設(shè)計(jì)思想是讓彈倉(cāng)的幾何中心穿過pitch軸，可以保證彈丸數(shù)量變化不會(huì)改變發(fā)射機(jī)構(gòu)的重心，即不產(chǎn)生額外的扭矩，減輕pitch軸電機(jī)負(fù)擔(dān)，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(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也可以減輕重量，彈倉(cāng)與云臺(tái)分離，向下供彈，減少YAW軸電機(jī)負(fù)重，提高云臺(tái)響應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

安防無(wú)人機(jī)在普通四旋翼無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上增加了識(shí)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(xiàn)】

【1】張玉乾.無(wú)人機(jī)主動(dòng)防御系統(tǒng)在成品油庫(kù)區(qū)的安防應(yīng)用研究[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)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(wú)人機(jī)安防巡邏系統(tǒng)研究[J].東北電力技術(shù)，2019，40（08）：29-31+34.