基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机

河南师范大学电子与电气工程学院 张松玲 宋国祥 王 芳

基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机

河南师范大学电子与电气工程学院 张松玲 宋国祥 王 芳

本设计的最大特点是仿生、远程监控和GPS定位功能的结合。首先利用扑翼无人机像鸟一样的仿生形态，隐蔽性强，在军事侦察中，不易被敌人发现。其次该设计具有远程监控功能，能将侦察现场的视频和音频通过无线传输同步发送到手机，在手机上对侦察现场实时监控。同时加入GPS定位功能，在手机上可对无人机精准定位、对侦察对象实时追踪。另外本设计实现了小型化结构，在较小的机身内，集仿生、远程监控、GPS定位于一体，实现高度的集成化。在民用上该无人机模型可用于灾区救援，飞进事故现场传输救援信息，当搭载不同设备后还可实现火灾预警、自主飞行、通信中继等拓展功能。

扑翼；仿生形态；远程监控；GPS定位；小型化

0 引言

随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展，加之军事和民用方面的广泛应用前景，仿生扑翼无人机成为了国内外科学领域研究的热点。与国内外研究现状对比：国内的扑翼无人机的研究还处于校园阶段[1-2]，并且国内对小型扑翼无人机的研究水平更为薄弱，功能较为单一，一般只能实现初步的飞行。国外对扑翼无人机的研究虽领先于国内，但是仍存在弊端，航时短，并未真正投入使用[3-4]。而基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机，在较小的机身内，集仿生、远程监控、GPS定位于一体，通过无线传输将视频、音频和位置信息同步发送到手机、电脑等终端，实现高度的集成化。并且通过实验测试和结果分析，达到了预期成果，实现了集仿生、远程监控、GPS定位于一体的高度集成化。军用方面可用于军事侦察，也可以对大型建筑物及军事设备的内部进行监视，特别适合在城市作战中使用；民用方面可飞进事故现场，传输救援信息，如地震、火灾等。

1 系统简介

以仿生扑翼无人机的仿生形态为基础，结合远程监控[5]和GPS定位[6]，利用无人机上的摄像头、声卡和GPS定位模块，分别采集视频、音频和位置信息，并通过无线传输同步发送到手机、电脑等终端，从而实现对侦察现场的远程监控、对侦察对象的实时追踪。

1.1 信息采集调制模块

该模块设置在本无人机内部。如图1所示，摄像头模块将采集到的视频、音频等信息和GPS定位单元采集到的经过信号处理单元处理后的位置信息依次经过信源编码、加密、信道编码、数字调制，最终到达天线，天线将已调信号发送到中继放大模块。

图1 信息采集调制模块原理图

1.2 中继放大模块

该模块设置在基站上。如图2所示，经信息采集调制模块中的天线发送过来的已调信号依次经过接收滤波器、抽样判决器、功率放大器，最终到达基站天线，基站天线将该信号发送到无线接收解调模块。

1.3 无线接收解调模块

如图3所示，基站天线传送过来的信号依次经过带通滤波器、功率放大器、数字解调、信道译码、解密、信源译码，最终将信号输送到显示设备，在显示设备上可以看到摄像头模块采集到的视频、音频等信息和GPS定位单元采集到的位置信息。

图2 中继放大模块原理框图

图3 无线接收解调模块原理框图

2 侦察无人机性能测试

目前的无人机多为固定翼和旋翼，这两类无人机在军事侦察中隐蔽性差。而本仿生扑翼侦察无人机完全仿照鸟类飞行的特点设计制作，具有高度的仿生形态，尤其适用于军事侦察，隐蔽性极强，不易被敌人发现。目前小型化的无人机功能较为单一，一般只能实现视频传输，而本仿生扑翼侦察无人机不仅具有小型化的特点，而且在较小的机身内，集仿生、远程监控、GPS定位于一体，实现了视频、音频、位置信号的同步传输。

2.1 仿生测试

基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机具有高度的仿生形态，在军事侦察中隐蔽性强，不易被敌人发现；为了实现无人机的平稳飞行。我们完全仿照鸟类结构，运用双层塑料薄膜作为机翼，高能聚合EPP泡沫做高度仿生形态的纺锤形的机身，利用小型蓄电池作为本无人机的动力来源，从而实现了基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机高度的仿生形态和平稳飞行。

2.2 远程监控测试

基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机具有远程监控功能。运用信息采集技术和2.4G无线射频通信技术[7]，能将侦察现场的视频、音频等信息，通过无线传输同步稳定的发送到手机，在手机上实现对侦察现场的远程监控。并且由于2.4GHz无线射频技术采用专用的数据通道，呈现相似频段的可能性大幅降低，减少了信号之间的干扰，保证了系统的稳定性。在民用方面本无人机具有广泛的应用。火灾、地震等人员无法靠近的事故现场，往往由于不能及时获取求救者的具体位置和周围环境等信息而使救援失败，而本仿生扑翼侦察无人机可以飞进事故现场，实时传输救援信息，给灾区救援提供了极大的便利。

2.3 GPS定位测试

基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机具有GPS定位功能。可在手机上可对无人机精准定位，实现对侦察对象的实时追踪。我们采用高集成度的微型GPS定位模块，一方面微型化的GPS定位模块正好适应了本无人机小型化的特点，另一方面该GPS定位模块相比其他同功能的模块具有重量轻的优势，更适合装载在本无人机上，为其稳定飞行提供了保障。

2.4 高度集成化测试

如图4所示，基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机具有小型化的特点，在较小的机身内，运用电子工艺装配技术，集仿生、远程监控、GPS定位于一体，实现高度的集成化。同时电子工艺装配技术具有可靠性高、性能好和成本低等优点，为本无人机日后的推广提供了技术支撑。

图4 基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机小型化、多功能示意图

3 结论

基于远程监控和GPS定位的仿生扑翼侦察无人机在仿生扑翼无人机的仿生形态的基础上，运用信息采集技术、无线通信技术和电子工艺装配技术，融合了远程监控、GPS定位，实现了仿生、远程监控和GPS定位功能的结合。在军事侦察和灾区救援的方面具有重要意义，随着科技的进步，本仿生扑翼侦察无人机在硬件、材料、技术上均将逐步完善，性能逐渐提高，价格逐渐降低，具有广泛的应用前景。

[1]姜城,孙敏,董娜等．面向远程监控的无人机视频地理信息增强方法[J]．测绘通报,2014,(11):28-32．

[2]Balasubramanian Esakki;Vasantharaj Rajagopal;Rusendar Babu Srihari．Dynamic Modeling and Simulation of Flapping Wings UAV[J]．Innovative Design, Analysis and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering．2014：105-115．

[3]刘志华,彭小龙,李阳等．防不胜防的美国微型无人机[J]．兵工自动化,2007,26(6):插5-插6．

[4]Hosein Mahjoubi(1);Katie Byl(1)．Efficient Flight Control via Mechani cal Impedance Manipulation: Energy Analyses for Hummingbird-Inspired MAVs[J]．Journal of Intelligent and Robotic Systems．2014,Vol．73(No．1-4):487-512．

[5]沈令斌,赵志敏,俞晓磊等．基于新型光纤智能结构的远程监控物联网系统设计[J]．南京航空航天大学学报,2015,47(3):453-458．

[6]陆建山,王昌明,宋高顺等．基于卡尔曼滤波的交互式多模型GPS定位方法研究[J]．兵工学报,2011,32(6):770-774．

[7]胡致远,宋洋洋,袁研根等．微功率无线通信技术在电力线路中的适应性分析[J]．电力系统自动化,2014,(8):113-118．

张松玲（1997—），女，河南南阳人，大学本科，现就读于河南师范大学电子与电气工程学院电子信息工程专业。

本项目受河南省科技厅科技攻关重点项目(142102310276)资助；感谢该项目对我们实验的支持和帮助。