基本信息

项目名称:
森林火警巡视无人机系统的研制
小类:
机械与控制
简介:
本作品主要用来解决无人机的成本控制和远程控制问题。利用民用手机网络进行数据的传输,通过自行设计的机上控制设备,实现了在低空环境下,对无人机进行多点、不限距离的远程控制。利用航模队自行设计制作的无人驾驶飞机,实现长航时载重飞行。低廉的价格和使用成本、方便的远程控制、比较远的航程和灵活的载重配置,为小型无人机在各种民用行业的日常应用,提供了较为完善的解决方案。
详细介绍:
我国森林资源较为贫乏,人均森林占有面积仅为世界平均值的1/6,但森林火灾每年都有发生,如何解决森林防火的问题,成为林业工作的重中之重。 无人机中低空监测系统具有机动快速、使用成本低、维护操作简单等技术特点,在车、人无法到达的地区进行资源和环境监测、森林火灾监测及救援指挥等方面具有独特的优势。 本作品借助于民用移动通信网络,控制者可以通过计算机网络、手机以及多种移动设备方便地在各种场合实现火警监视和飞行器控制,实现了远程、低成本航空监测。 本作品由电子控制系统和飞行器系统两大系统构成。 电子控制系统是整个无人机系统的核心。它主要由导航与通信和飞行姿态控制两大模块组成。 导航与通信模块由单片机、GPS模块、手机模块、摄像头、明火探测器、存储器以及摄像云台组成。通过单片机读取GPS数据,运用控制算法实现无人机的自动导航。通过明火探测器与摄像头、手机模块的协同工作发现火情并以短信息或电子邮件的方式发送火情信息。同时,可以使用短信息更改无人机巡航路线和任务。 飞行姿态控制模块由机载模块与地面控制站模块组成。机载模块由单片机系统、无线串口模块、气压高度计及水平仪组成。地面控制模块由游戏摇杆、PC机和无线串口模块组成。地面模块用于操作手手动控制无人机的起降。空中巡航时,机载模块通过控制水平尾翼与副翼舵机实现飞机飞行姿态的自动调整。 飞行器参数: 总长1550mm 翼展1930mm 起飞重量7kg 任务载荷2kg 巡航速度90km/h 巡航高度<1000m

作品图片

  • 森林火警巡视无人机系统的研制
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作品专业信息

设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标

本作品主要用来解决无人机的成本控制和远程控制问题。实现了在低空环境下,对无人机多点、不限距离的远程控制。利用航模队自行设计制作的无人驾驶飞机,实现长航时载重飞行。低廉的价格和使用成本、方便的远程控制、比较远的航程和灵活的载重配置,为小型无人机在各种民用行业的日常应用,提供了较为完善的解决方案。 本作品利用民用手机网络(GSM,CDMA,WCDMA,GPRS,3G等等)进行数据的传输,自行设计的飞机和机上控制设备,以低廉的成本,完成通讯(数据和图像)、导航、任务管理、飞行控制和故障处理等功能。

科学性、先进性

现有无人机的远程控制基本上使用卫星链路、大功率遥控器或数据电台来完成。它们造价高昂,是无人机系统中最贵重的部件之一,一旦飞机失事,损失巨大。它们的耗电量大,因此需要更大、更重的电池作为能源,加之其自身体积重量大,占用了过多的飞机有效载重。同时,其电磁辐射功率大,对天线的布置有特殊要求,机上设备电磁兼容难度大。 本作品利用民用手机网络(GSM,CDMA,WCDMA,GPRS,3G等等)进行数据传输,具有通讯距离不受限制、价格低廉、耗电量小、体积重量小,电磁兼容性容易处理等优点。此外,现有手机的功能丰富,集成的GPS导航功能和摄影摄像功能,可以被自行设计的机上控制设备利用,完成通讯、导航、任务管理、飞行控制和故障处理等功能。

获奖情况及鉴定结果

本作品在2011年“挑战杯”省大学生课外学术作品竞赛终审决赛暨作品展示中获特等奖。

作品所处阶段

初试阶段

技术转让方式

合作开发或委托开发

作品可展示的形式

实物展示

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

本作品包括无人机、地面和空中控制系统的设计。由操作手通过地面控制装置手控飞机起飞和降落,当飞机到达指定高度后,由地面控制转入自动飞行模式,可以利用在地面装定好的导航数据,由机载控制系统控制飞机完成航线飞行。飞行过程中,可以通过手机网络进行数据传输,进行导航点的更新和任务的更改;并能够将载荷设备获取的数据、图像传输回地面。 由于利用的是民用手机网络,因此,实现了地面多点控制。操作者可以利用计算机、平板电脑,甚至是手机实现对无人机的控制,并能够获得载荷设备的各种数据。系统的特性使得无人机即便失事也可以准确、方便地确定失事地点和失事原因,便于进行事故处理。 系统完全利用民用设备制造,成本低廉,对于失事率较高的无人驾驶飞行任务而言,提供了一种用得起的航空技术手段。在森林防火、测绘、勘探、航空摄影摄像、减灾救灾等领域都有广阔的应用前景。

同类课题研究水平概述

目前国外使用手机作为控制器的研究方兴未艾。2009年由柏林自由大学的人工智能小组研发并由专门研究手机软件的Appirion公司负责制造,实现了利用苹果公司(Apple)的iPhone手机对一辆汽车的油门、刹车和方向进行控制。虽然车速不快,并且不能控制变速箱,但是证明了手机作为控制器的可能性。2010年,PARROT公司AR.Drone四桨飞行器研制成功。它在机身前部安装有93度广角摄像头,可以将视频和图像实时通过WIFI链接直接传输到iPhone、iPad或iPod Touch上,实现640x480分辨率的实时视频传输并可以进行飞机控制。 国内使用手机作为飞行器控制系统的一部分也有应用。2009年北京国遥万维信息技术公司研制成功了Quickeye(快眼)- Ⅲ号和Quickeye(快眼)-Ⅳ号无人机,相比于单发动机、空重10公斤的II型,新型号采用双发布局,单缸62CC发动机,飞机更大也更重。其自动驾驶仪里集成了三轴陀螺仪,气压传感器,加速度传感器和GPS天线等采集分析控制系统。可以选用电台、GSM、GPRS等方式建立数据链,将基站的观测数据发送到流动站,实现高精度GPS实时差分定位技术(RTK)。可以看出,其技术方案中,手机网络成为备选网络。除专业公司外,国内爱好者也在尝试不同的技术方案,以期实现手机对无人驾驶飞机的控制。其中进展较大的一个方案中,机载控制系统包括一部PPC手机和一套具备蓝牙通讯功能的单片机飞行控制系统。该方案要求手机自带GPS和蓝牙功能。地面控制设备可以任选一部普通手机,通过短信与PPC手机通讯,PPC手机中的软件解读短信中的目的地GPS坐标,结合PPC之前获取的起飞点坐标,通过计算获得航线。机载PPC和单片机之间通过蓝牙连接,由单片机发出控制信号,实现各个舵机和电调的控制。 在安全防盗、物流控制、无线上网等多个方面,国内外基于手机的应用也在蓬勃发展中。国内外的研究热点表明,以手机网络为代表的民用数据通讯网络以其宽广的覆盖范围,灵活的组网方式和低廉的价格,吸引了越来越多的研究者投入到相关研究当中去,力图解决各种远程控制问题。随着手机类产品的日新月异,相信在汹涌而来的‘物联网’时代,基于手机民用远程通讯网络的远程控制系统必然迎来百花齐放的春天。
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