无人飞行器设计

远程无线通信系统第 1 章 绪论1.1 引言1.2 课题研究背景1.2.1 国内外研究现状1.2.2 市场需求1.3 研究内容和意义1.3.1 研究内容1.3.2 研究意义1.4 本文结构第 2 章 无人机中继系统概述2.1 无人机中继系统的总体结构2.2 无人机的控制系统2.3 无人机的实时图像传输系统2.4 本章小结第 3 章 实时图像传输系统3.1 摄像头3.1.1 DSP 控制芯片3.1.2 图像传感器 3.1.3 镜头 3.3 摄像头的选择3.4 图传频率3.4.1 我国无线频率规划3.4.2 无线图传频率选择3.5 图传天线3.5.1 天线的介绍3.5.2 天线的选择3.6 图传系统传输距离的估算第 4 章 动力系统4.1 电机4.2 舵机4.2 电池第 5 章 GPS 定位及飞机控制系统5.1 GPS 模块5.2 飞控模块第 1 章 绪论1.1 引言无人驾驶飞机简称“无人机” ，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或用助推火箭发射升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可通过遥控用降落伞或拦网回收。可反覆使用多次。广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。本课题研究一套无人机中继系统，该系统是由目前市面上可购买到的不同模块组成。本课题研究的中继系统包括：摄像头模块、图像传输模块、动力模块、GPS 定位模块及飞控模块；该无人机搭载此中继系统可实现手动遥控和飞机自主飞行两种飞行模式，飞机在飞行过程中，可以将机载摄像头所拍摄到的视频信息实时的传回地面控制台。具备此功能的无人机具有广阔的应用前景，不仅成本低还可以派到非常恶劣的环境中执行任务而不用担心人员损失。1.2 课题研究背景随着控制技术的不断提高和智能控制理论的完善，在飞机中出现了一类不需要人驾驶就能够执行任务的飞机无人机。无人机以其优越的性能，在现代高科技战争中发挥着独特的作用。无人飞机，顾名思义，就是不用驾驶员驾驶，而依靠嵌在飞机内的自动飞机驾驶仪器或地面无线电遥控飞行的飞机。无人机可以专门实际造型制作，也可以由普通飞机改造制成。无人飞机跟普通飞机一样，必须具备起落装置，机身、机翼、机载控制系统等，还因无人驾驶，必须配备自动驾驶仪、电子计算机、自动起落装置、程序控制装置等，因要求实现远距离控制，必须装有遥控接收机、电子摄像机等实时控制设备，相应的在遥控站设有机外遥控站、起飞装置和监测系统。1.2.1 国内外研究现状无人机出现在 1917 年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。 20 世纪 80 年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高， 应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。1. 国内研究现状我国无人机发展起步于上世纪 50 年代末。上世纪 90 年代以来，西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学三所高校无人机事业蓬勃发展，并相继成立了无人机专门研究机构。迄今，上述三所高校已为国家研发了几十个型号上千架无人机。2000 年以来，中航工业集团、航天科工集团、航天科技集团、电子科技集团公司下属一些院所也开始无人机研制，加快了我国无人机的发展步伐。据不完全统计，国内从事无人机的单位超过 300 家，从事无人机总体（提供无人机系统）的单位超过 40 家。据了解，目前绝大部分还只是停留在研制、生产阶段， 更多的是满足特定的个别用户的定制应用服务需求，大批量产品生产和产业化发展的还很少。虽然近年来我国的无人机研制、应用取得了长足进展，但距离美国、以色列等国家还有较大差距。其中，动力装置是中国飞机的一大软肋，无人机研发也遇到类似瓶颈。2. 国外研究现状国外的研究主要有以下几类：（1 ） Attitude Heading Reference System（AHRS）由斯坦福大学航空航天学院研制，利用惯性传感器技术和 GPS 卫星定位接收机，实时计算飞机在飞行时的准确方位和飞机机身姿态。（2 ）以 Delft 技术大学的 R.M.Rademaker 和 E.Theunissen 提出的 Synthetic Vision System（ SVS）虚拟现实系统为代表，显示终端可以提供实时数据显示、根据数据库中原有基础数据，由传感器和数据链组成并进行数据三维处理。（3 ） 以 Visual Cueing and Control（VCC）系统为代表，由 Honeywell 实验室和Honewell BRGAOlathe 组织机构联合开发。类似于现代汽车导航系统，根据存在的基础信息，执行预定的飞行线路，实现可视化管理。根据包括经纬度、坐标转换、垂直速度、飞行速度等本机信息，以及基础数据的空间信息、适航信息等实现自动飞行管理，更重要的是可以在 VFR（visual flight rules 目视飞行规则）到 IFR（Instrument Flight Rules 仪表飞行规则）飞行转换过程和由 VFR 飞行岛着陆阶段可提供可视帮助。但是，他有一个很大的缺点，就是不能实现飞行线路和地面的三维画面显示，稍显画面单调。（4 ）以 Tallec 在 Onera 设计研究的 Converging Traffic Alert System（CATAC ）为代表，分别与 1998 年和 2001 年在法国和美国获得专利，采用了 ADS-B 技术，GPS 接收装置接收关于飞行器的实时坐标数据，并根据基础数据分析数据，可实时估计本航空器的具体方位和速率，判断潜在的危险和问题，并通过语音告警控制人员；具备无线电接收装置，能获取人机互动显示画面，适合目视飞行规则（VFR） ；飞机小巧，成本低廉。（5 ）以适合通用飞机的飞行保障系统为代表的 FLIGHT CONFLECT MANAGEMENT SYSTEM(FCMS)，利用无线网络连接技术，实现飞机与地面控制系统之间的连接和数据交换，利用网络点对点服务，实现飞机的飞行控制，减轻飞行员和空中交通管制人员的负担。1.2.2 市场需求无人驾驶飞机结构简单、重量轻、隐蔽性好，与执行有人飞机的任务相比，使用无人机能够大大减少费用。另一方面，它可以作为高危险性任务的执行者，例如：敌后纵深侦查，美国的全球鹰就是其中的典型代表：可以进行中继制导为己方攻击武器提供瞄准点；可以携带炸弹直接攻击目标等。可见，无人机在执行任务时的环境都比较危险，避免大量的人员培训和投入，所以无人机虽在功能上不能完全和普通飞机相比，但是它在执行危险任务中的作用却是人们考虑的首选。除此之外，无人机还可以用于民用，比如大兴安岭的森林防火灭火、汶川地震的航拍和实情考察、气象行业的人工降雨、农场的庄稼灭虫、沙漠戈壁的飞播造林等；可以用于日本福岛核电站事故中取得大气样本；也可以用于新的航天器的设计和技术验证等，现在，无人机还不能完全替代通常的各种飞机，普通的飞机因为人的存在而能够完成更加复杂的任务，不过随着以智能控制技术为首的技术群的发展，无人机将会有能力完成更多不同种类的任务，在更大程度上替代普通飞机来执行任务。市场中类似飞机一般情况下适用于军事，在民用方面很少，本课题研究的中继系统，如果进一步将硬件优化，即可用于生活中。前段时间的雅安地震，由于天气因素的影响，卫星或载人飞机难以及时获取对灾难救助指挥的实时地面影像，采用无人机系统，可超低空云下作业，对天气的依赖非常小，而且不需要专用机场，可以快速准确的获取地面影像。无人机还可以在一些比较危险，不适合人类到达的地方完成任务。如：毒气泄漏的地方，有放射性物质的地方，病菌滋生的地方等。如果是对硬件进行精简，则可用于娱乐。现有市场上的飞机不多，而且昂贵，所以该研究有很大的市场潜力。1.3 研究内容和意义本课题研究的无人飞机的中继系统重在调查市场上现有材料，从机载设备的总体结构出发，将整个机载设备分解为若干部分，再分别对各个部分进行调查研究，找到性能优良，符合无人机要求的部件。该中继系统的核心是飞机控制系统，它将其他各部分连接在一起，使得无人机可以更好的飞行和实施空中拍摄。此系统设计的飞机有两种飞行模式：手动遥控和自主飞行，手动遥控飞机飞行需要加载数传电台，在此基础上增加功率放大器以实现远距离通信；自主飞行则需要在飞控模块上加载自动导航模块，通过编写程序来控制飞机的在空中的高度、航速、航向等信息。此外，卫星定位也是无人机的一项重要功能。卫星定位是目前航空、导航等行业中广泛应用的技术，是指通过人造卫星根据物体的经度，纬度，高度，速度等确定物体的具体位置，目前世界上使用最为广泛的卫星定位系统是美国的 GPS(Global Positioning System)系统和俄罗斯的 GLONASS( Global Navigation Satellite System)系统，而由我国自主研发的北斗卫星导航系统也在逐步投入使用。精确的定位是无人机执行任务必不可少的条件之一，更多的卫星同时通信，更高的刷新频率都是无人机精确定位的前提。目前“无人机”以其造型独特，小巧轻便，主要用于军事方面，很多国家军事顾问早在上个世纪就预言在未来的战争中，无人机将广泛应用于侦查、攻击等各个电子战环节，而在现代快速电子战争中正被一一实现，成为决定战争胜负的关键，为此各国争相投入更大的力量发展。随着技术的普及和成本的降低，无人飞机开始在民用领域崭露头角。航拍是无人飞机的一项重要任务，在地震、海啸、泥石流、火灾等危险的环境和状况下，如果使用无人机做航拍工具能大大降低人员以及费用的投入。1.4 本文结构本文共分为 7 章：第 1 章 绪论，主要内容是：关于课题的概况，国内外研究现状、研究的内容和意义，本文结构。第 2 章 系统的总体设计，主要内容是：系统的总体需求及系统的组成。第 3 章 第 2 章 无人机中继系统概述2.1 无人机中继系统的总体结构本课题研究的无人机中继系统，是在飞机上搭载的整套控制系统，包括飞机控制系统、动力系统、远程控制系统、定位系统及实时图像传输系统，其核心为飞机控制系统，在此系统上加载其他系统的模块，使得飞机可以正常飞行。飞 控GPS模 块控 制 信 号 接 收 模 块图 传 发 射 模 块舵 机摄 像 头无 刷 电 机 电 调 电 流 计电 池 1#电 池 2#图 2-1 无 人 机 中 继 系 统 结 构整个无人机中继系统的结构如图 2-1 所示，系统采用两块电池供电，其中电池 2#专门给电机供电，因为电机是飞机最主要的动力系统，其功率高，耗电量大，是制约飞机飞行的主要因素。与电池 2#相连的电流计主要用来测量电池剩余电量信息，通过飞控模块加载到图像上，一并传输给地面控制台，让地面操控者可以及时的了解电量剩余情况，以作出正确的判断；而电池 1# 给飞控模块及其他设备供电，使各模块可以正常工作。舵机也是飞机正常飞行所必不可少的组件，它可以控制飞机姿态转变及高度变化等；摄像头的作用是采集视频信息并进行处理，相当于飞机的“眼睛” ；GPS 模块用来准确定位，可以确定飞机的飞行高度、飞机的航行方向等重要信息；图传发射模块是传输视频信息到地面控制台的重要设备；控制信号接收模块是用来接收地面遥控信号，以控制飞机飞行。2.2 无人机的控制系统 无人机的飞行控制系统有两部分组成：一是自动飞行控制系统，二是远程控制系统。自动飞行控制系统是一个典型的反馈控制系统，通常由传感器系统、飞行控制计算机和执行机构三大部分组成，如图 2-2 所示。传感器测量各种状态信息，包括飞行速度、飞行高度、飞行姿态、飞行方向、地理坐标等。飞行控制计算机对传感器测量到的信息根据飞行导航的控制率进行计算处理，转变成为能被飞行控制计算机使用的状态信息，同时根据所需的飞行状态计算出对执行机构的输出量。 传 感 器 系 统飞 行 控 制 计 算 机执 行 机 构无 人 机飞 行 导 航 控 制图 2-2 自 动 飞 行 控 制 系 统远程控制系统也是无人机的重要组成部分，它由地面控制中心和机载系统组成，如图2-3 所示。无人机的地面控制中心发送控制指令，通过无线链路传输，由机载控制信号接收模块接收，来控制飞机改变飞行状态。地 面 控 制 中 心控 制 信 号 接 收 模 块无 线 链 路图 2-3 远 程 控 制 系 统远程控制系统的传输链路是无线电，在固定的发射功率和天线增益下，无线电的传输有一定的距离限制，超过其传输距离，地面控制中心就无法通过遥控器控制飞机飞行，此时就需要自动驾驶系统来控制飞机继续飞行或自动返航。自动驾驶系统和远程控制系统之间相互交织，拥有共同的组成部分如执行机构，传感器等部件。两个系统既可单独运行，保障飞机的飞行；又可以协调工作，共同控制飞机。2.3 无人机的实时图像传输系统本课题研究的无人机系统，图像的实时传输是一项重要功能。实时图像传输系统的结构框图如图 2-4 所示。飞机上携带的摄像头，可以采集的图像信息并进行处理，传送到无线传输模块中，再通过无线链路传回地面控制站。摄 像 头飞 控 模 块图 传 发 射 模 块图 2-3 实 时 图 像 传 输 系 统图 传 接 收 模 块显 示 器无 线 链 路飞机在空中高速飞行，机载的摄像头模块可以快速的捕捉图像信息，并将获取到的模拟视频信号转换为数字信号，摄像头的清晰度越高，获得的视频信息的信息量就越大，然而，无线链路的传输速率达不到传输要求，这就使得视频信息必须经过飞控模块的压缩处理，才能够传输给图传发射模块，发射模块与地面的接收模块通过无线链路连接，传输拍摄到的视频信息。2.4 本章小结本章对无人机的整个中继系统进行了介绍。首先介绍了本文所研究的无人机中继系统的整体结构，然后介绍了无人机控制系统及其实时图像传输系统，分别给出了各系统的结构框图，并简单说明了其基本的工作过程。本章介绍的内容总领全篇，下面各章将对这个设计方案进行详细的阐述和实现。第 3 章 实时图像传输系统3.1 摄像头摄像头(CAMERA) 又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。无人机的图像采集需要通过摄像头来完成。摄像头的三个重要组成部分是：DSP 控制芯片（DIGITAL SIGNAL PROCESSING） 、图像传感器（SENSOR）和镜头（LENS） 。3.1.1 DSP 控制芯片目前市面上较为流行的 DSP 控制芯片有： VIMICRO（中星微）301P/L 、禾瑞亚、SONIX（松瀚）102/120/128、ST （罗技 LOGITECH 的 DSP 提供商） 、 SUNPLUS（SUN+重点发展单芯片的 CIF 和 VGA，但图像质量一般） 、PIXART （原相）PAC207 单芯片 CIF、SQ（倚强）SQ930C 等。其中应用最广泛的是中星微的 301P 和禾瑞亚的 EM2710 芯片，而中星微的芯片占有相当大市场份额。VIMICRO301L：为 301P 的替代产品，是在控制成本下的优化产品，中星微公司在 301P产品的成功以及经验的积累，这颗芯片效果也相当不错。从技术角度来讲，中星微 301 通过采用影像光源 自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，搭配 COMS 感光芯片使各项技术指标都能与CCD 芯片相媲美。采用中星微 301 的产品可使 CMOS 与 CCD 在数码摄像头上的应用没有图像性能差别。EM2800/2710：是禾瑞亚的一颗硬件 130 万像素的 DSP，EM2800 主要用做电视卡的采集芯片，但国内也有一些大的摄像头厂商将他做成摄像头产品，此类产品速度是普通摄像头的两倍左右。EM2710 主要用做摄像头产品，其产品性能与 EM2800 在摄像头的应用上效果相当，产品效果和速度将相当优秀，主要用于高端摄像头。不同品牌的摄像头采用的 DSP 控制芯片也是各不相同的，在选择摄像头时，选用处理速度快的芯片，可以获得更高的帧捕获速率，从而得到更清晰的图像；其次，更快的处理速度能够保证视频实时传输的稳定性。3.1.2 图像传感器图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CCD 具备光电转换、信息存贮和传输等功能。CCD 图像传感器的结构如图 3-1，一个完整的 CCD 器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。偏 置 发 生 器 时 序 发 生 器振 荡 器 时 钟 驱 动线 驱 动 A/DC 增 益接 视 频捕 捉 卡 电 荷 电 压 转 换光 电 转 换相 机 （ 印 刷 电 路 板 ） CCD图 像 传 感 器图 3-1 CCD图 像 传 感 器CCD 工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到 CCD 内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。CMOS 图像传感器是采用互补金属-氧化物- 半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称 CMOS。CMOS 图像传感器的 ,结构如图 3-2，一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器（ASP）构成，高级的 CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器（ADC） 。列 放 大列 多 路 数 据 选 择行存取行驱动增 益时 序 发生 器振 荡 器偏置发生器D/AC线 驱 动偏置去耦联接器接 视 频捕 捉 卡电 荷 -电 压转 换光 -电转 换CMOS图 像 传 感 器相 机（ 印 刷 电 路 板 ）图 3-2 CMOS图 像 传 感 器CMOS 与 CCD 图像传感器相比 ,具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS 图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量( 特别是低亮度环境下) 与系统灵活性与 CCD 的相比相对较低。由于具有上述特点,它适合大规模批量生产 ,适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用,如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。CCD 与 CMOS 图像传感器相比, 具较好的图像质量和灵活性,仍然保持高端的摄像技术应用,如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用。CCD 器件的灵活性体现为与采用 CMOS 器件相比,用户可构建更多不同的摄像系统。两者特性比较：1）灵敏度灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD 的感光信号以行为单位传输，电路占据像素的面积比较小，这样像素点对光的感受就高些；而 CMOS 图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成 (含放大器与 A /D 转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积，像素点对光的感受就低。因此，在像素尺寸相同的情况下，CCD 图像传感器的灵敏度要高于 CMOS 图像传感器。2）分辨率CMOS 图像传感器上集成有放大器、定时器和 ADC 等电路，每个像素都比 CCD 复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以做得更密。通常 CCD 图像传感器的分辨率会优于 CMOS 图像传感器。3）噪声CCD 与 CMOS 图像传感器在结构上的不同，使得它们的读出噪声有很大的差别。CCD 中的噪声主要是在最高带宽产生的，而 CMOS 图像传感器由于采用的是列并行结构，因此噪声带宽是由行读出带宽决定的。CCD 中噪声随视频频率的增加而增加，而 CMOS 图像传感器的噪声与视频频率无关。由于 CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器。而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致。因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 图像传感器相比，CMOS 图像传感器的噪声就会增加很多，这将会影响到图像品质。4）响应均匀性理想状态下各个像元在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照（暗环境）两种环境条件。CMOS 图像传感器由于每个像元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，且随着像元尺寸进一步缩小，差异将进一步扩大，这使得在有光照和暗环境两种条件下 CMOS 图像传感器的响应均匀性较 CCD 有较大差距。尽管 CMOS 图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应的非均匀性，但是现在它仍然无法达到