基于四旋翼无人机的水空两栖新型飞行器系统的设计

方案，该设计主要有飞行控制、无线通信、远程遥控、图像识别、动力、电源等六部分组成。

关键词：水空两栖;四旋翼无人机;水上救援;图像识别

中图分类号：TP242.3 文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）23-0054-03

Abstract： Through the research on amphibious aircraft and four-rotor UAV， a design scheme of water-air amphibious waterborne rescue robot powered by rotor and propeller is proposed. The design is mainly composed of six parts： flight control， wireless communication， remote control， image recognition， power and electricity supply.

Keywords： water-air amphibious; four-rotor UAV; waterborne rescue; image recognition

1 概述

我國拥有众多的江河湖泊和漫长的海岸线，人们在生产生活的过程中不可避免地要与水接触，因此水上事故也时有发生。基于此，市场上的水上救援设备层出不穷，随着无人机技术的不断发展，其在应急救援领域也越来越受关注。按照用途可以将其划分为军用、民用和消费三种级别，其中军用无人机在军事领域已经得到了快速的发展，特别是在侦查、打击和救援领域。由于无人机具有升力大、动力强、速度快、成本低、灵活性大、适应能力强等特点，因此选择无人机作为救援工具的载体并结合救生艇以此来实现快速反应、快速救援。水空两栖救援设备也必将成为社会发展的新趋向，对两栖救援设备的研究必将引领科技创新领域的潮流。黑龙江科学杂志上曾发表过旋翼无人机在水上救援中的应用研究一文，文中阐述了旋翼无人机在水上救援的重要意义。水空两栖应急救援设备的研发也为人们的安全提供了保障，为应急救援领域提供了强有力的技术支持，具有十分重要的意义[1]。

2 工作原理

水空两栖飞行器的系统结构示意图如图1，借鉴穿浪双体船的设计特点，从而减小了飞行器在水面航行时的兴浪阻力，提高航行的稳定性，同时也使载重能力得到提升。该系统由六台电机实现驱动，其中M1～M4为空中飞行用电机，主要负责为飞行器飞行提供动力，M5～M6为水面航行用电机，主要负责为飞行器在水面航行时提供动力，系统通过飞行控制器控制M1-M4四个电机的转速的变化，来实现升力大小的变化，进而控制飞行器的飞行速度、方向、高度等的变化，靠近待救人员。

通过飞行器上所搭载的热成像摄像机对救援水域进行扫描，并将图像传回救援人员手中，利用热成像技术快速锁定救援人员的位置，救援人员通过远程遥控给飞行器下达指令，使飞行器迅速降落在待救人员身边。同时，飞行器的M1-M4电机将全部锁死，避免对待救人员造成伤害。此过程中，仰飞、悬停等特殊的动作是通过电调控制电机旋转的速度、力矩和方向所产生的差值来实现的[2]。降落到待救人员身边后，救援人员通过控制器控制尾部的螺旋桨进而驱动飞行器在水面上进行运动，靠近待救人员。在此过程中，由高清摄像机为操作者提供救援信息。待救人员爬上飞行器后，由感应装置反馈信息，操作人员控制飞行器将待救人员送至岸边，完成救援任务。

3 硬件电路设计

3.1 方案设计

系统的整体方案如图2所示，操作人员通过R/C控制器发出指令，指令经过无线传输发送到R/C接收器，R/C接收器将信号转发给飞行控制器STM32F407。飞行控制器对指令信息进行解读计算出每个电机应该有的速度，并将信息发送给ESC（电子调速器）。ESC将接收到的信号转换为电压，为电机供电。电机通电后产生所需的推力，按照操作指令移动飞行器。惯性测量单元IMU能够感知飞行器在空中的姿态，并将数据发送给飞行控制器。飞行控制器根据操作者指令以及IMU（以MPU6050为例）数据通过算法运算后控制飞行器稳定[3]。FPV系统中由热成像摄像机收集图像信息，通过视频发射器传输回来，运用图像识别技术对图像进行分析处理。并通过北斗或GPS系统及时确定无人机所处的位置[4]。

3.2 飞行器硬件电路设计

3.2.1 电源供电电路的设计

系统稳压供电电路选用的是3.3V电压供电，由1200W功率的锂电池输出11.1V经降压至5V后再由稳压芯片AMS1117-3.3V降至3.3V，输送给传感器、 MPU6050以 STM30F407飞控芯片、NRF2401、JTAG/SWD调试接口如图3所示。

3.2.2 无线通信电路的设计

系统的无线通信选用的是Nordic公司出品的NRF2401单片射频收发芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。STM32飞控系统通过NRF2401发射或接收信号与外界保持联系并接受指令，如图3所示。

图像传输采用的是LC329模块，是一款为工业红外相机及无人机航拍图像传输所定制的基于WIFI无线图像传输模块。能够达到不损失画幅，不损失帧率的要求，支持STA/AP传输，支持低功耗。

3.2.3 电机驱动电路设计

如图4所示，飞控系统接收到指令后，以PWM波的方式发送给电调，电调接收后经过解算计算并输出信号给无刷电机，无刷电机收到信号后进行运动，完成电机的驱动。系统共计使用6个电机控制飞行器在空中及水面的动作和状态[5]。

3.2.4 传感器电路的设计

如图5所示，系统选用MPU-6050运动感测传感器感知飞行器状态，MPU-6050提供完整的9轴运动融合输出到主I2C端口。I2C连接到飞控系统STM32上（SCL和SDA是连接MPU的I2C接口），从而根据飞行器的状态来调整电机的转速，完成自我纠正[6]。

4 飞行器主程序流程图设计

飞行器主程序流程图如图6所示，开机后系统完成初始化，电调解锁成功STM32F407控制系统初始化完成，接受到指令后串口发生中断，控制器按照指令进行工作。在工作过程中MPU6050惯性测量单元将测量值反馈给控制系统，触发串口中断，进行飞行姿态矫正。

5 结论

本文以水空两栖飞行器作为研究对象，通过对四旋翼飞行器及穿浪式双体船的结合，实现了水、空两种运动方式，极大地拓展了水空两栖应急救援飞行器适应环境的能力及执行任务的复杂性与可靠性。本文研究的飞行器共有3种运行状态，以水面航行状态靠近待救者，载其驶离救援水域。由于空中飞行时通过四个电机的转速来调整姿态，所以潜水器运动时有六个状态输出，改善了潜水器在复杂环境下的适应能力，提高了水上救援的效率，减少了水中意外的伤亡，为水上应急救援工作提供了强有力的保障。

参考文献：

[1]王梦达.基于STM32的潜水四螺旋桨救援机器人设计[D].河南理工大学，2018：10-11.

[2]王梓藤.四旋翼无人机驱动器闭环对姿态稳定性影响的研究[D].宁夏大学，2016：10-11.

[3]陈新泉.四旋翼无人机飞控系统设计与研究[D].南昌航空大学，2014：17-20.

[4]徐文，孟文，曾丽.基于STM32与WiFi无线通讯技术的远程监控系统设计[J].自动化与仪表，2016，31（11）：35-38+56.

[5]陈柯，李媛媛，方璇，等.单片机驱动电机的设计与实现[J].实验室研究与探索，2016，35（03）：119-122.

[6]李臣龙，强俊.基于STM32和MPU6050姿态解算的研究与实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2017，35（02）：295-298+316.