基于固定翼的巡逻用无人机

张永帅+张美茹+陈迪

摘要：随着相关产业的迅速发展，无人机技术渐渐融入各个行业中，在航拍，植保，测绘，电力检测等都有不俗的表现，但是普遍存在航时过短，航程过小，难以完成较远的任务，所以我们选用固定翼为载机，提出一种覆盖范围更广的无人机作业方案。

关键词：无人机；自动化；单片机；卫星导航；惯性导航

Abstract： With the rapid development of related industries， UAV technology has been gradually integrated into various industries and has performed well in aerial photography， plant protection， surveying and mapping， power detection， etc. However， there are ubiquitous flight delays， To complete the task far， so we use fixed-wing aircraft carrier， proposed a wider coverage of the UAV operating program.

Key words UAV automation SCM satellite navigation inertial navigation

背景介绍

交通监管是管理交通，保证交通正常的重要手段，监管人员需要监管道路情况，应对突发事件，保证在任何情况下确保交通的正常。在城市中，工作人员可以切换摄像头实现道路监管，但是对于较为偏僻地区，或摄像头难以覆盖的地带很难快速监管，所以我们提出了一种无人机系统来应对这种状况。

解决方案

对于无人机的载机机体，我们采用航时长，航程远的固定翼，考虑到主要用于巡逻拍摄，飞行地带为监控难以覆盖的偏远地区，道路上方较为空旷。对飞行姿态把控并不高，只需将航线把控到位即可，所以飞控采用以STM32[1]为核心的Pixhawk。导航则采用双GPS[2]导航，并采用北斗为备用导航模块，导航准确，以电力为能源。动力系统采用大功率无刷电机。

总系统分为两个大部分，为机载部分和地面部分，两部分通过通信设备进行交换数据。

1.机载飞行控制系统[3]：飞行控制系统采用飞行控制芯片+传感器构成，为了飞行的智能化，我们将采用冗余控制，对载机的控制为：

a.飞行器智能控制：飞行器根据任务，自动规划航点，并进行飞行与调整，输入信号来自任务执行系统。并且突发情况下有中断任务权限，例如避障，失速调整，外界大扰动自动修复，低电量返航，遇损。

b.地面站半自动控制：手动控制飞行器姿态，用于手动起飞降落，或者突发任务或遇到飞控难以自主处理的情况时的无人机操控，输入值为姿态信号，根据姿态信号飞控调整舵面，动力系统等，辅助姿态控制。

c.完全手动控制：完全手动操控，用于突发情况，飞控受损，故障，载机受损，等重大干扰下，输入信号直接控制舵面。这属于突发情况下最后的操作，以保证飞行器的可靠性。

2.机载任务执行系统：我们将任务执行系统与飞控系统分离出来，这样能更好的进行任务分析而不占用飞控系统，并且可以采用运算量更大的算法，对后期的算法写入更友好。

3.机载通信系统：机载通信系统与地面通信，双向数据传输，可以将飞行器的飞行状况，图像等信息传回地面，也接受来自地面的信息，由于任务时航程过远，而机载信息发射装置大小，重量，散热都有限制，所以功率较小，覆盖范围小，所以在远程任务时，回传信息有距离限制，小于地面发射端的覆盖范围，所以对于飞行任务中，通信有三种状况：

A.信号交流区（数据双向传输）：在机载发射端覆盖范围内，在此范围内，无人机将及时与地面通信，回传任务信息。

B.任务发送区（地面段单向传输）：地面端单向传送信号，通常用于任务发送。等待飞行器进入信号交流区。

C.无信息区：超远距离任务或信号干扰严重，理论上地面站无法区分任务发送去和无信号区，在地面站中通常会设定两区的界限，并根据飞行任务与飞行时间估计距离，判断其所在，在无信号区中，尽量避免任务的发送。

实际使用中，尽量避免B，C区的产生，通常为加大机载设备与地面发射设备的功率，采用多种通信手段加强联系，避免在电磁环境复杂的情况下飞行。

信号频段选择：1）433M频段：范围大，但是抗干扰能力低，在城市中避免使用

2）1.4G频段：穿透力强，抗干扰能力强

3）2.4G频段：该频段在日常家用电器中应用广泛，主要用于陆地工业无线监控，成本低，频点易把控，可释放12个频道

4）5.8G频段：信号质量高，多用于图传信号传输，但是穿透力差

地面通常站采用2.4G发射信号，机载设备通常选用5.8G进行图像回传。这样可以保证发射端覆盖范围大，机载发射端，回传质量高。

4.导航系统：导航采用冗余卫星导航，为了提高准确度，我们对采用多种卫星导航，以GPS为主要参数，北斗，格洛纳斯为修正参数，进行筛选与计算[4]，对于无信息区，如果卫星导航收到干扰，搜星数减少，会切换惯性导航，采用加速度计对数据处理，结合姿态解算出大概方位，进行导航，并取消任务进入返航模式，直到搜星成功回到预定轨道，返回信息请求返航或者继续执行任务。采用这样的方法能很好的避免失去GPS后无人机的任务错误的问题，进入返航模式能很好的保护无人机，避免出现丢机，导航错误的情况。

5.地面站人机界面：通过可视界面可以直观检测飞行器状况，采用PX4地面站，用于作为检测地面站，PX4地面站数据齐全，数据链紧凑，容错率高，PX4地面站兼容Linux系统，可以采用嵌入式系统，制作时可以做成小型手持设备。将地面站小型化的同时，保持其功能的完整性，

存在问题

无人机续航时间仍然主要取决于电池，随着电池的蓄电量增大，重量的变化更大，所以对于续航的增加，只靠增加电池容量是不可取的，现在航模电池使用的是锂聚合物电池（Li-polymer），但是其重量较大，影响续航时间；对于容量磷酸铁锂电池（LiFeCoPO4）[5]，相同重量，电量比锂聚合物电池要大，但是放电倍率较低只能达到2C-10C，很难满足大功率电机的要求；新型动力如燃料电池，太阳能电池，成本过高，不适合普及，所以一般无人机续航很难超过2.5小时。

其次是自动巡航方面，当无人机脱离人工控制后，系统非常依赖于卫星导航，对于信号差，或强干扰地带，卫星搜星数过少时，无人机难以正常作业。并且进入惯性导航模式下，利用加速度连续积分，并结合姿态解算出数据，所以准确度并不高，并且误差会随着时间的增加而累加，如果一味靠惯性导航，可靠性并不高，只作为应急处理，所以在卫星信号普遍不好的地带，还是需要避免飞行。

参考文献：

[1]（英）姚文祥.ARM Cortex M3权威指南（第三版） [M].清华大学出版社，2015.

[2] 秦永元. 惯性导航[M].北京：科学出版社，2006

[3]King Sunfu，Gonzalez Rafael C ，Lee C S George. Robotics： Control Sensing，Vision and Intelligence [M].McGraw-Hill Education ，1987.

[4]Bishop Gary. Welchan Greg.姚旭晨.卡尔曼滤波器介绍.https：//www.cs.unc.edu/～welch/media/pdf/Kalman_intr o.pdf

[5]（美）托马斯 B. 雷迪. 电池手册（第四版）[M].化学工業出版社，2013.