可续航三栖探测飞行器系统设计与实现

徐文强 柳明 李海龙

【摘要】设计并实现了可续航三栖探测飞行器系统，该系统由三栖探测飞行器和多功能地面维护站组成。三栖探测飞行器以MSP430单片机为核心，采用双余度旋翼系统作为爬升力，以转动57BL52无刷电机作为驱动力，搭载有GPS定位系统和GSM通讯系统，可收缩航海板和海陆一体轮直接由MSP430串口通讯 ，并可搭载多种探测装置，具有三栖作业、垂直起降、移动迅速和低耗能的特性。多功能地面维护站主要配置有信号加强装置、可充电太阳能供电系统以及无线充电模块，可解决户外作业信号弱、作业时间短的问题。本设计可实现复杂环境下数据快速、准确的采集和传递。

【关键词】三栖探测飞行器;维护站;GSM;GPS;MSP430

各类湿地保护区一般由永久性及季节性淡水沼泽地和无数小型浅水湖泊组成，栖息和繁殖大量的水禽，由于道路泥泞环境复杂，科研工作者和工作人员难以进入，即使进入也会干扰水禽的生活。化工厂及核设施发生事故后，由于空气中大量有毒及辐射性物质的存在，液体的大量泄漏，使得救援人员难以深入事故中心进行勘察和救援。针对这些特殊情况，传统的装备和技术手段无法实施，因此迫切需要一种在水、陆、空各种条件下均能工作的探测设备来解决上述问题。目前国内外也出现过一些具有探测功能的三栖探测飞行器，但毫无例外都以地壳飞行器为原型，并未从根本上进行结构优化。此类产品多保存小汽车的全部结构框架，且均在汽车的车身上设有可收放的上机翼和下机翼，汽车底盘下设有气囊，带有螺旋浆的垂直尾翼和水平尾翼与汽车后厢活动连接。此类飞行器存在着明显的缺陷，因自身结构复杂、自重较沉且反应时间滞后、灵敏性准确性差，故安全系数不高，不适合执行各种突发状况下的侦查与探测任务。此外该类产品需要长距离滑翔起飞，且能耗过大不能持续续航的问题也难以解决，因此这类设备不符合三栖探测的要求。

本文设计了可续航水、陆、空三栖探测飞行器系统，可实现实时对上述危险的或者复杂的待测区域的数据采集和探测工作，并且能快速准确的传递数据，避免人员伤亡和对生态环境的破坏。本文设计的可续航三栖探测飞行器系统创新采用旋翼升力系统、海陆一体轮、多功能地面维护站等，可解决传统的三栖探测飞行器的上述缺点，具有结构简单可靠、质量轻盈、灵敏度高、反应迅速、垂直起降、恶劣条件下持续续航、抗干扰能力强的优点，本系统具有一定的实际应用价值。

一、可续航三栖探测飞行器系统的需要解决的技术问题

（一）平衡稳定性问题

首先，要解决平衡稳定性的问题。由于三栖探测飞行器需要搭载摄像头及各种传感器，将实时画面及被测参数传递回地面维护站数据处理区，与传统工作方式存在巨大差异，要考虑的因素更多。一方面要考虑挂载摄像头、各种传感器后三栖探测飞行器的平衡性及稳定性，另一方面，要保证三栖飞行器在海陆空三栖状态下仍能适应三栖环境。

本文设计的三栖探测飞行器采用双余度旋翼系统作为系统升力，使得该系统具有安全、平稳、负载能力强的特点，可满足三栖探测飞行器在恶劣工作条件下的稳定工作。

（二）环境对无线信号的干扰

其次，必须解决恶劣环境对无线控制的干扰。待探测区域多为自然环境恶劣区域或者辐射强度大，次声、磁场、无线电干扰等会影响进行操作的无线电信号。

本文设计了信号加强装置，避免因信号干扰造成的三栖探测飞行器失控，影响正常飞行及数据采集传输。并写入失控自动返航程序，做好失控准备，在有效获取信息的同时切实保护三栖探测飞行器的安全。

（三）串口通讯问题

另外，本文设计的三栖探测飞行器采用多控制器系统协同工作，此时多机通信技术是实现可续航三栖探测飞行器系统控制的关键。

本文采用的GSM多机通讯为解决这一问题提供了技术支持。

（四）通讯问题

最后，必须解决交互问题，即要解决三栖探测飞行器与搭载的各探测模块保持正常通讯、地面多功能维护站与三栖探测飞行器的交互问题。

本文增加GPS模块实现对三栖探测飞行器的定位，来解决三栖探测飞行器行进位置及路线的定位跟踪;增加GSM模块作为信息沟通的途径，检测到的测量数据可以通过无线传输方式发送到地面多功能维护站，地面多功能维护站也可通过无线网络将控制指令发送到三栖探测飞行器，从而实现三栖探测飞行器与地面多功能维护站的双向通讯;此外地面多功能维护站还配置了信号加强装置，增强了系统的可靠性。

二、可续航三栖探测飞行器系统设计

可续航三栖探测飞行器系统主要由三栖探测飞行器及地面多功能维护站组成。整个系统可实现海、陆、空三栖作业，完成深入探测区域数据采集和信息传递工作。

（一）系统硬件的设计

1.三栖探测飞行器的设计

三栖探测飞行器的硬件主要由智能小车、双余度六旋翼旋翼系统、GPS定位系统、GSM通讯模块、可控航海板、海陆一体轮和高能锂电池等成。其实物图如图1所示。

图1 三栖探测飞行器实物图

智能小车以SP430单片机为核心，MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低MSP430单片机，它的功耗小、具有精简指令集的混合信号处理器，便于处理各种混合数据，质量轻并且便于协调各模块关系。双余度六旋翼旋翼系统作为系统的升力，中间为共轴主旋翼，主旋翼旋转方向相反;外侧为副旋翼，相邻2旋翼旋转方向两两相反，2顺时针旋转，2逆时针旋转。其整机升力主要由2共轴旋翼提供，飞行器的姿态调整由4副旋翼控制。六旋翼飞行器可以通过调节各电机的转速来改变牵引力的大小，实现飞行姿态与航向的控制。双余度六旋翼旋翼系统具有体积小、重量轻、负载大、稳定性高和安全可靠等特点。GPS定位系统和GSM通讯模块有效解决了三栖探测飞行器与搭载的各探测模块保持正常通讯、地面多功能维护站与三栖探测飞行器的交互问题三栖探测飞行器的交互问题。创新提出可控航海板和海陆一体轮，大大减轻了三栖探测飞行器的质量，使得三栖探测飞行器可以搭载更多的探测设备，适用环境显著增强，大大提升了其整体性能。机载电池使用格氏ACE 22000mah 25C 6S 22.2V锂电池，该电池具有工作电压高、能量密度大、自放电率低等显著优点，使得三栖探测飞行器持续续航得到了保障。

三栖探测飞行器的设计不仅要在三栖条件下作业，同时要做好各种恶劣条件下紧急迫降情况。故三栖探测飞行器的设计采用两套独立的系统，其核心处理器分别是MSP430单片机和双余度飞控，通过GSM和GPS与地面实现通讯交互，三栖探测飞行器采用直流无刷电机为系统提供有力保障，可收缩航海板的控制由MSP430单片机串口通讯控制，可实现在水中探测时展开，在空中、陆地探测时收缩，达到减小阻力的目的。另外在三栖探测飞行器的中控单元下方、航海板的上方留有搭载各种探测元器件的空隙。综上三栖探测飞行器可执行可以执行垂直起降、悬停、前向飞行、侧向飞行、逆向飞行、360度旋转、水中前进、水中后退、水中侧转弯、水中逆转弯等特动作，这些动作适合待测区域现场复杂的地形和地势特点，使得三栖探测飞行器具有较强的生存能力，以及准确数据传输能力。

图2 地面多功能维护站实物图

图3 系统软件流程

2.地面多功能维护站的设计

地面多功能维护站主要解决（下转第166页）（上接第162页）待探测区域户外信号差、作业时间短、难以持续探测的问题，因此地面多功能维护站设有MFD-12信号加强器和一套可充电太阳能供电系统。同时可充电太阳能供电系统整合了无线充电模块，可实现无线充电，达到持续续航的目的。其实物图见图2。

另外地面多功能维护站有专门的数据控制区，主要有发射端和接收端及数据处理器组成，可实现地面多功能维护站对三栖探测飞行器的控制和对三栖探测飞行器采集数据的处理。地面多功能维护站结合三栖探测飞行器组成的可续航三栖探测飞行器系统，使得三栖探测飞行器执行任务有了根本性保障，可以更好地完成任务。

（二）系统软件的设计

多功能地面维护站根据需要根据侦查任务所涉及领域，下达三栖状态切换命令，选择三栖状态。当作业领域在湖泊和陆地时，维护站控制区通过GSM模块给MSP430单片机下达命令，遥控海陆空三栖飞行器打开和关闭航海板，海陆空三栖飞行器通过语音模块、红外线传感器采集数据，再通过GSM传回维护站数据处理区;当作业领域是空中时，通过维护站控制区给六旋翼双余度飞控下达起飞命令，海陆空三栖飞行器垂直起飞进入工作状态，摄像头采集数据，并实时将静态图片通过图传设备传回维护站数据处理区。可续航三栖探测飞行器正常返航时，地面维护站完成充电，继续探测。当三栖探测飞行器发生故障时，自动返航，地面维护站进行检修。多功能地面维护站还设有信号加强区，不会出现因信号弱或无而导致的失控现象。图3为系统软件流程。

三、结论

本文设计的可续航三栖飞行器系统，不同于以往传统的产品，采用旋翼升力作为三栖探测飞行器的飞行动力，可垂直起降，高空作业，且低耗能;创新采用海陆一体轮，及可收缩航海板，故结构简单，自重较轻，且有效避免了阻力过大问题;另采用六旋翼双余度飞控，操作简单且更加平稳安全可靠;最后地面多功能维护站的设计制作，有效避免了户外作业信号弱，不能持续续航的问题。本系统可深入险区，传递实时准确数据，有效地减少了人员伤亡。

参考文献

[1]徐进，周宁.GPS接收机的单片机通讯接口[J].电子器件，1999，22（3）：23-26.

[2]方群，袁建平，郑愕.卫星定位导航基础[M].西安：西北工业大学出版社，1998.

[3] Mark E.Dreier.直升机和倾转旋翼飞行器飞行仿真引论[M].中航出版传媒有限责任公司，2012.

[4]邢磊，郑萍.多通道高速数据采集系统的设计与实现[J].仪表技术与器，2012（12）：116-118.

[5]李欢.面向航海应用的地理信息系统关键技术研究[D].国防科学技术大学，2004.

[6]王其，何嘉斌.单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，（01）：63-66.

基金项目：滨州学院国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201410449012）。

作者简介：

徐文强（1993—），男，山东潍坊人，现就读于滨州学院。

柳明（1980—），男，哈尔滨工业大学工学博士，滨州学院副教授，主要研究方向：组合导航。

李海龙（1993—），男，山东菏泽人，现就读于滨州学院。