对安防无人机技术的探究

江超 郭凯 黄关中 谢祥平 潘陈华 管芳

【摘  要】据相关数据统计显示，近年来工业无人机市场规模的增长速度非常快，国内工业无人机市场规模的增长速度基本在50%左右，全球工业无人机市场规模的增长速度每年基本在20%左右。由于无人机的高机动性的优势和现代相关技术的发展，无人机将成为未来重点发展对象之一。同时，安防警用无人机也随之进入市场。安防无人机将完成应急处理、活动安保、侦察搜捕、交通管理、紧急救援等任务。同时，随着四旋翼无人机公司的兴起，越来越成熟的技术给当下无人机市场的打开提供了条件。

【Abstract】According to relevant statistics， the market size of industrial UAV has been growing rapidly in recent years. The domestic market size of industrial UAV has been growing at about 50%， while the global market size of industrial UAV has been growing at about 20% every year. Due to the advantages of high maneuverability and the development of modern technology， UAV will become one of the key development objects in the future. At the same time， security and police UAV are also entering the market. The security and defense UAV will carry out tasks such as emergency processing， activity security， reconnaissance and manhunt， traffic management and emergency rescue. At the same time， with the rise of four-rotor UAV companies， more and more mature technologies provide conditions for the opening of the current UAV market.

【关键词】无人机;安防;四旋翼

【Keywords】UAV; security and defense; four-rotor

【中图分类号】TP273;V279                                【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）04-0178-02

1 研发背景与意义

在当下无人机新兴市场下，无人机的高机动性为其在方方面面的领域提供了很大的优势。尤其自2013年以后，无人机民用化更是刺激无人机市场，各种不同类型的无人机纷纷出品。

在国外警用无人机以形成产品链的同时，我们对无人机进行改造。实现无人机追踪打击的功能。在此基础上，进行创业实践。利用快速响应、时效性强等优点打开无人机安防应用市场，联合军方或警方，进行实验，打开市场。

2 无人机需求分析

飞行稳定动力强，云台响应速度快，识别目标的准确性高。

3 可行方案

3.1 动力方案

无人机动力由6个大疆E2000PRO动力系统组成，E2000PRO动力系统的电机电调进行一体化整合，适配直径28mm的碳管，能更便捷地完成装机，进行专业飞行。动力系统的6010 Standard/Pro电机核心的轴承系统采用了严格密封处理，可隔绝雨水、农药，甚至盐雾等液体腐蚀。E2000动力系统单轴最大拉力为5.1kg，动力强劲，载重量大，续航久，提供快速响应以及灵活的功能。由于此需要48V的电压驱动，本方案中搭载了6块DJI TB47D/TB48D 电池。

3.2 结构方案

采用两轴四旋翼结构，旋翼对称分布在机体的前、后、左、右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼结构相同，电机对称安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和云台设备。

四旋翼无人机为当下多旋翼无人机主流设定，操控方便、稳定性高、结构简单，若电机、电子调速器、电池、桨和机架部分等零件损坏，也很容易替换。

3.3 电控方案

控制系统分为动力控制系统、导航控制系统以及云台系统[1]。分別采用N3飞控、Guidance视觉传感导航系统、STM32单片机。N3多旋翼飞控系统采用DJI大疆最新的控制导航算法，新增的内置双IMU冗余设计，可实现数据实时互为备份，结合全新内减震结构设计，赋予飞行器高可靠性;“黑匣子”数据记录系统为飞行性能分析提供精准数据支持，同时，对于包括 Lightbridge 2、DJI Assistant 2等在内的一系列 DJI大疆配件、高性能软件、SDK和A3 Upgrade Kit高性能导航模块的支持，可帮助飞行器实现丰富的应用扩展。

导航控制系统由N3飞控配合Guidance实现，N3飞控通过CAN总线连接Guidance系统，进行数据处理。Guidance是一款全新的视觉传感导航系统，可感知附近障碍物，让飞行器主动躲避。它内置功能强大的处理核心，配备五组视觉超声波组合传感器，辅以先进的视觉算法，使飞行更安全、可控，不依赖GPS，可以在室内平稳飞行，大大增强了安防无人机的实用性。

云台系统基于STM32F427单片机，搭载WT931九轴高精度陀螺仪，通过CAN总线通讯控制Pitch轴云台电机和获取Pitch轴云台电机的角度和电流值，通过CAN总线与主控通讯以获取云台俯仰角度，通过PWM输出控制云台的无刷摩擦轮电机的电调和拨弹电机的转速，通过串口获取WT931传感器的运动数据。根据WT931的运动数据进行卡尔曼滤波和角度融合来计算出Pitch轴的角速度，并使用PID控制算法来闭速度环。然后根据云台电机返回的角度值并使用PID控制算法来闭位置环，进而使Pitch轴云台准确并快速到达所需的Pitch角度。

3.4 视觉方案

视觉系统使用Jetson TX2平台和大华工业相机，使用OpenCV对工业相机获得的图片进行处理，根据目标特征，对图像中目标物体进行颜色二值化和特征匹配处理，找到目标物体，寻找到目标用tracking追踪器对目标进行稳定追踪，利用SVM確认是否识别正确目标。根据实时情况建立目标对象的坐标，以旋转中心为基坐标系，可计算出各个目标的世界坐标，可进行精确定位，再计算出运动轨迹，向主控发送期待角度;串口通信线程TX2和主控相互通信，互传数据，实现自动瞄准特定目标。

4 云台详细设计

4.1 云台技术参数

云台Yaw轴、ROLL轴采用GM6020云台电机，便于供弹链路的设计。Pitch轴采用 RMD7015云台电机，相较于GM3510云台电机，RMD7015重量较大，转动惯量较大，但是更大的扭矩可以更好地抑制弹丸发射导致的震动，提高射击精度。发射机构采用无枪管的射击，使用大疆M3508电机，KV值为 960kV，搭配C620电调， C620电调供电电压 24V，电调20A，则电机运行转速为n=960×24=23040rpm，定制弧形摩擦轮，在高速状态下，对摩擦轮接触部分的材料要求比较高，选择不好的话可能由于离心力的作用而膨胀， 继而造成剧烈的振动，导致发射出的子弹无论是从速度还是稳定性来说都不好。经测试，选择的摩擦轮材料为硅胶，硬度大概为邵氏 50～60°。实测在较高的电压下，射速浮动更小。摩擦轮发球机构由送球机构送上来的子弹经过一对旋转方向相反的摩擦轮的作用，高速射出。从子弹进入开始与摩擦轮接触到与摩擦轮分开，在此期间，排球将受到摩擦轮的摩擦力和压力的作用，以此来完成加速过程，最终射出，动量定理的计算公式为：

f△t=m△v=m（v1-v0）

式中，v0为子弹的初速度，即进入摩擦轮时的速度;v1为子弹从摩擦轮中射出的速度。

△v=f△t/m=v1-v0

设v0=0，则v1=△v，△v与f和△t有关，m是子弹的质量，在这里是常数。实际上，增大摩擦轮的转速和摩擦力，到了一定程度时，子弹的最终速度将不会增大，也就是△v达到了最大值，但是小于摩擦轮边缘的线速度。

预置弹限位采用塑料限位片，寿命较短，大约在1万发内可以保证射击精度。经测试，最小包围散布为56mm，实际最优情况下可以达到38mm的最小包围散布。

4.2 云台发射机构设计

云台发射机构由供弹系统和发射系统组成。供弹系统通过拨弹盘电机输送弹珠到发射系统。拨弹盘电机使用大疆M2006电机，搭配C610电调。发射系统由两个摩擦轮电机组成，通过挤压弹珠，完成发射过程。摩擦轮电机使用大疆M3508，搭配C620电调。发射机构整体设计的中心思想是让弹仓的几何中心穿过pitch轴，以及让火线与pitch轴相交[2]。要求摩擦轮电机转速一致，如果摩擦轮的质心不在转动轴上或者离转动轴很远，此时的摩擦轮实际上是一个偏心轮。高速情况下会产生剧烈的振动，摩擦轮对称精度必须要高，要求拨弹盘电机转速稳定，这样能保证子弹推入摩擦轮前状态的一致性，有助于弹道的稳定。

4.3 云台弹仓设计

弹仓的整体设计思想是让弹仓的几何中心穿过pitch轴，可以保证弹丸数量变化不会改变发射机构的重心，即不产生额外的扭矩，减轻pitch轴电机负担，降低调试难度。采用支架结合网状侧壁结构，即可保证云台的结构稳定，也可以减轻重量，弹仓与云台分离，向下供弹，减少YAW轴电机负重，提高云台响应。

5 结语

安防无人机在普通四旋翼无人机的基础上增加了识别打击功能，火控系统可由人或Tx2端双向决策保证了安全性。

【参考文献】

【1】张玉乾.无人机主动防御系统在成品油库区的安防应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39（22）：203-204+206.

【2】田小壮，石辉，曾庆松，等.基于图像处理的变电站周界无人机安防巡逻系统研究[J].东北电力技术，2019，40（08）：29-31+34.