小型无人机的海岸线巡查应用

[摘 要]我国拥有18000km的海岸线，海岸线一般曲折多弯、港湾众多海域资源丰富，随着海洋经济的不断发展，各行各业对近海领域的开发需求不断增大，随着人类对海域活动的加强，人为垃圾等对海域资源造成了严重破坏，为了有效地巡查海岸线，加强海岸线监管力度，及时发现并制止破坏海域资源、非法用海等行为，本文提出了使用一种搭载运动相机的四旋翼飞行器，利用相机焦距和飞行高度之间的关系，来保证相机对地的分辨率，本系统能够有效地实现小型飞行器来代替人为巡查的工作，具有实时性高、灵活机动的特点及很好的应用前景。

[关键词]四旋翼飞行器 运动相机 海岸线巡查

中图分类号：V279；U418.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0206-02

由于海岸线巡查路线较长，且各区域分片巡查，需选取飞行时间较长的小型飞行器，本文使用650轴距的四旋翼飞行器。该型号的飞行器尺寸较大，可携带较大容量的电池和云台，运动相机等设备，同时配备GPS等自动导航系统，可实现远距离自动巡航，以保证远距离巡查的需要。

1 四旋翼原理介绍

四旋翼飞行器主要由飞控，机架，电机，螺旋桨等构成，常用的整机模式有“+”型和“x”型两种形式，如图2所示。

四个相同规格的电机和螺旋桨分布于四个支架的末端形成四个旋翼，这四个旋翼为飞行器飞行提供了基本动力，大箭头表示飞行器的前进方向，小箭头表示螺旋桨的旋转方向。电机M1和M3带反桨逆时针旋转为飞行器提供向上的动力，电机M2和M4带正桨顺时针旋转为飞行器提供向上的动力，采用这种正反桨可以使得螺旋桨旋转时产生扭矩相互抵消，平稳飞行时不会自己旋转。这种情况类似于直升机后面的尾桨。四个旋翼的中间空出的位置，可以用来放置飞控和搭载在机体上的图传发射机等相关外设，机架的下方可以安装脚架和主动力电池等。

两种飞行模式各有优缺点，“+”模式的优点在于对飞行器的前后左右进行控制时只需要控制其中一个电机的转速，而其余三个电机转速不变，控制较为简便，缺点在于当在飞行器前方携带负载时，容易产生较大的单臂不平衡负载，使得前方的电机迅速发热甚至烧毁并且飞行姿态不易观察；“x”模式的优点在行模式较为直观，便于操控者观察飞行姿态，缺点在于要控制前后左右飞行时需同时控制相邻两个电机且要求在调整过程转速变化幅度一致，否则将导致飞行器发生偏转。本设计考虑实际作业需要，需要在飞行器前方挂载摄像设备，并且飞行的稳定性由飞控来负责，故综合考虑采用“x”模式。

四旋翼飞行器可以垂直起降，其飞行的高度和姿态是由四个旋翼的转速变化控制。四旋翼飞行器的六种飞行状态分别为前后，左右，升降，俯仰，滚转和偏航，其中前后和俯仰原理相同，左右和滚转原理相同，各飞行状态原理图如图3。

在图3（a）中，1，2，3，4四个电机以一定的相同转速同时转动，当升力大于（小于）飞行器自身重力时，飞行器上升（下降）；飞行器悬停时即升力等于自重。

在图3（b）中，1，2两个电机转速减小（增大），3，4两个电机转速增大（减小），飞行器后边的升力大于（小于）前边的升力，飞行器俯并前进（仰并后退）。

在图3（c）中，2，3两个电机转速减小（增大），1，4两个电机转速增大（减小），飞行器右边的升力大于（小于）左边的升力，飞行器左滚转并向左飞行（右滚转并向右飞行）。

在图3（d）中，2，4两个电机转速减小（增大），1，3两个电机转速增大（减小），1，3两个旋翼对机身的扭矩大于（小于）2，4两个旋翼对机身的扭矩，飞行器右（左）偏航。

2 硬件平台搭建

2.1 机身部分

本系统的硬件主要由飞控、机架、动力系统、航拍系统、遥控器、电源等组成，飞行平台的稳定是对其所带负载稳定工作的基本保证。本系统采用大疆公司的商业飞控DJI-A2，包括主处理器，IMU惯性测量单元，GPS+磁阻导航单元。该飞控可以支持四旋翼的两种飞行模式，完全适用于本系统的四旋翼“x”飞行模式。GPS模式悬停时精度可达0.5m，具有失控保护功能，即当飞控接收不到遥控器传来的飞行控制信号时，飞行器自行悬停在原处，等待信号恢复或电池电量下降时自动降落，以避免飞行器从高空失控直接砸下地面所带来的损失。为满足飞行器尺寸、重量和带负载能力的要求，本系统的轴距设计为650mm，配合KV值为380的外转子无刷电机和1555碳纤维桨，实际尺寸为850×850×350（mm），带负载能力达4Kg。

飞行器的设计过程中为了减轻重量，在采用合理的结构形式的基础上，非常有效的方式是选用强度、刚度大而重量轻的材料。通常用比强度和比刚度来衡量。在选用材料时，尽量采用比强度和比刚度大的材料，如碳纤维和玻纤维材料。因此，在搭建飞行器的机架及电路系统时，采用四根碳纤管作为飞行器的机臂，玻纤板作为中心连接板，起到承载电池和电子控制部分的作用，同时相机和云台系统也固定在中心板上。在中心板的下方穿过两条尼龙魔术贴扎带用于电池捆绑，以保证飞行器的中心稳定。

本系统的机架采用四根碳纤管作为飞行器的机臂，玻纤板作为中心连接板，起到承载电池和电子控制部分的作用，整机实物如图5。

四旋翼飞行器的动力系统由电子调速器，电机和螺旋桨等组成。

电子调速器即无刷电机的驱动，其作用是根据飞控送出的控制信号来控制电机的转速，本文选择好盈公司生产的飞腾系列铂金30A电调，该电调持续工作电流可达30A，瞬间电流可达40A（10秒钟），支持2-6节锂聚合物电池串联供电，符合本系统使用要求。

对于小型无人飞行器而言，自身重量轻，可靠性高是电机最为基本的要求，故而驱动电机的选择就显得尤为重要。综合各方面因素，本文选择SunnySky（朗宇）X4108S无刷电机作为本设计系统的动力，该电机自身重量113g， 转速KV值为380，配合1555碳纤维桨时最大拉力为2000g。

螺旋桨是四旋翼飞行器动力系统的重要组成部分之一，螺旋桨的尺寸大小直接影响到四旋翼飞行器的载重能力。一般来说，螺旋桨越大，电机转速越高，升力也就越大，但同时对电池，电调等元件的要求也越高。对于选定的KV值为380的电机，若选用过大尺寸的螺旋桨，则容易产生由于转矩不足而导致电机过热烧坏的现象；若选用螺旋桨尺寸过小，虽然电机很容易带动螺旋桨，但螺旋桨能提供的升力不够，使飞行器的载重能力下降。本文选择1555型碳纤维桨，该桨直径为15英寸，螺距为5.5英寸。

2.2 航拍系统

航拍系统由两轴云台，运动相机，OSD，无线图传和显示器等组成，两轴云台为相机增稳，运动相机捕获画面， OSD将飞行参数与视频叠加，无线图传将画面传回地面端通过显示器显示。

云台采用的是TAROT两轴云台，该云台可以很好的满足航拍要求，对于调试稳定的云台，即使飞行器处于高速飞行状态，仍然可以保持运动相机的稳定，且云台的俯仰角度和滚转角度还可以通过遥控器控制，以达到最佳航拍效果。

相机选用GoPro Hero3+运动相机，GoPro运动相机可拍摄最高4K超高清视频短片，体积小，重量轻，并内置Wi-Fi，可在180米内对其进行遥控。对于本系统，OSD的作用是将飞行器的飞行参数信息叠加到从运动相机上引出来的视频上，在地面端的显示器上显示，叠加的有电池电压，与起飞点之间距离，与起飞点的高度差，控制模式，飞行器俯仰、滚转姿态，飞行速度，升降速度，GPS接收卫星数目等重要飞行参数信息，对于远距离飞行具有重要的指导意义。

图传包括发射机和接收机。图传在选用时，必须考虑的两个重要参数是频率和功率。常用的图传频率有1.2GHz， 2.4GHz， 5.8GHz三种，考虑5.8GHz不会干扰遥控器和GPS信号，故选用该频率。图传的功率直接决定了图传的有效工作距离，功率越大，有效工作距离越远。考虑到航拍实际距离需要以及成本问题，最终选择了aomway 5.8GHz 1000mw图传。显示器用于实时显示航拍画面以及飞行参数信息。图传接收机接收到的视频信号直接送到显示器上显示，该显示器分辨率为1024×600，屏幕大小为7寸，显示画面清晰，监视效果良好，且显示器固定在遥控器上，监测方便。

2.3 遥控器

遥控器用于实时控制飞行器，常用的遥控器工作频率为2.4GHz。对于四旋翼飞行器，至少需要四路相互独立的指令通道，分别控制油门，俯仰，滚转，偏航，才能控制飞行器正常飞行。但装有云台后，需要增加另外的两个通道来控制云台的角度。故应选择六通道及以上的遥控器。

2.4 电池选择

动力电池选用锂聚合物电池，该电池在选取时主要考虑的因素为电池放电系数，容量和自身重量。电池容量单位为毫安时，例如电池容量为5000mAh，放电系数为25，则电池的放电能力可以达到5×25=125A的电流持续放电。放电系数越大，相同容量下电池所能承受的电流越大，电池在过载时越安全。锂聚合物电池的容量和自身重量是相互制约的两个量，容量越大，电池重量也越大，因此在选用大容量电池以延长续航时间时还需考虑电池的重量问题。动力电池由单体串联而成，单体标称电压为3.7V，充电截止电压为4.2V。锂聚合物电池串联使用时最重要的就是每个单体的平衡，当一个单体的电压较低时，整块电池都不能继续放电，否则将导致电压最低的单体过度放电而损坏甚至发生爆炸，因此放电时需使用锂聚合物电池专用电压报警器以防止单体过度放电；充电时也要注意各个单体的平衡，因此充电时必须采用平衡充电器。因此，本系统电池采用12000mAh 15C和5300mAh 30C等大容量高放电倍率的锂电池，以保证在飞行器实际作业的需要。

3 结论

本设计搭建了飞行器的机架和各个电路系统，安装动力系统，连接摄像机和图传等设备，完成样机的制作，制作完成的飞行器空机重量为1698g。样机测试结果表明，飞行器起飞重量可达7000g以上，航拍续航时间可达25min，飞行高度500m以上，飞行半径1000m以上。在遥控模式下，GPS卫星数目6颗以上时，可实现稳定悬停，上下精度和水平精度都达到了1m，可以实现一键返航，基本满足作业要求。