一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，该系统包括机械结构、硬件模块和控制模块，其中，机械结构由旋翼和机体用轻质碳纤维杆连接并配合专用胶体固定而成；机体包括机体主体、EPP支柱、固定支架、转轴、硅板片，主体采用EPP材料。在旋翼下端安装电机，电机与主控电路、外围电路模块、中继调参电路板和遥控器共同构成系统的硬件模块，对机械结构的运动进行调整。控制模块包括主控程序模块、中继调参电路程序模块、基于labview可视化编程的串口示波器、图像识别模块和警报模块，与硬件电路进行交互。本发明专利技术具有航行时间长、轻量化载重的特点，增加了水文数据检测和水空自动切换功能，有效帮助救援工作的开展。

【技术实现步骤摘要】
一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统
本专利技术涉及一种飞行器系统，尤其涉及一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统。
技术介绍
当今，随着世界贸易自由化，水上交通越发频繁和密集，自然灾害和人为事故导致水上安全事故层出不穷，然而与水上搜救支援相关的设备依然匮乏或者不够经济，使用不够便捷，需花费大量资金用于购买设备及售后服务，因此对于便捷适用的搜救支援产品需求日益迫切。现有的海空两栖飞行器，多采用各种气动布局的固定翼结构设计或者传统直升机进行改造。固定翼结构实现的飞行器无法有效垂直起降，传统直升机改造的搜救直升机无法在水中工作，难以满足水上搜救支援的需要。技术实现上相对比较复杂，需要配置雷达和声呐设备，需要有人驾驶操作，使用和维护成本比较昂贵，制约了救援市场的发展。近年来，随着无人机技术的不断发展成熟，相关产业链也越发完整，无人机技术发展得到了越来越多的重视。基于无人机技术的水空两栖飞行器开始受到关注，利用多旋翼无人技术可以设计出更多无需人为飞行控制、收发相对便捷的飞行器。飞行器技术实现上相对简单，且无需配置昂贵设备，使用和维护的成本也相对低廉，同时能够满足搜救支援的需要。基于多旋翼无人机技术的水空两栖飞行器，能够提升国家水上搜救设备自动化创新能力和综合实力，推动水上搜救装备制造业的技术创新，为保障国家水上搜救行业的快速发展发挥了重大作用。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种航行时间长的轻量化载重飞行器，附有水文数据检测和水空自动切换功能，为救援工作提供更有力的帮助，赢得更多的救援时间。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，包括机械结构、硬件模块和控制模块，其中，机械结构，用于形成飞行器的主体，受硬件模块调节，完成飞行或航行运动；硬件模块，用于提供飞行器动力，实现对角度、速度、距离的测量、定位、水文数据和图像采集功能，将采集到的数据以相应通讯方式，使用无线通信模块传递至控制模块或者PC端，并调节飞行器的机械结构和实时运动状态；控制模块，用于对硬件模块采集的数据进行分析并向硬件模块发送参数指令，当发现遇险目标时，以警报方式提醒搜救人员到达现场提供帮助。工作原理：1、水空两栖切换：通过舵机带动转轴转动，实现旋翼倾转，旋翼在水平位置时提供上升的力，倾转至一定的角度后，提供水面航行向前的动力；2、水文数据监测：通过机载传感器对水的流速、水体含氧等信息进行检测；3、搜救支援：飞行器按照预定航线进行搜索，机载摄像头对视野图像进行实时回传，地面站对回传图像中的遇险目标识别并进行报警，救援中心根据回传遇险目标的地理坐标和水文数据信息，再出动直升机等进行救援；飞行控制通过主控电路采用多回路控制算法实现姿态稳定控制和导航；地面站对回传图像使用图像识别算法，识别遇险目标。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)同时具有了大范围搜索事故发生地点和事故现场信息采集检测的功能，大幅度提高水上搜寻救助效率，有效降低水上搜寻救助风险；(2)可水空两栖，当飞行器在水面工作时，飞行器机体相当于船体，无需安装螺旋桨，四旋翼作为能源动力推动前进；(3)采用自主设计的机械结构，采用EPP板材实现轻载化并提高平衡性；(4)可飞行航程更长，续航能力更优，通过操纵系统可改变旋翼上升力的大小和倾斜方向，实现垂直起飞、降落或悬停等飞行状态。附图说明图1是本专利技术系统组成框图；图2是本专利技术整体效果图；图3是本专利技术机体主体结构示意图；图4是本专利技术倾转旋翼结构图；图5是本专利技术舵机示意图图6是本专利技术硬件模块示意图，图7是本专利技术飞行器飞行姿态控制算法示意图，图8是本专利技术图像识别流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1，本专利技术所述的一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，包括机械结构1、硬件模块2和控制模块3，其中，硬件模块2调整机械结构1的运动，并与控制模块3实现交互。整体效果图如图2所示。所述机械结构1包括旋翼4和机体5，其中机体包括机体主体6、EPP支柱7和9、固定支架8和13、转轴10和12、硅板片11：机体主体6呈船形，如图3所示采用EPP材料做支撑和固定，利用重心降低、船底平整增加抗扰动能力，具有自平衡能力；在距离机体5最前端一定距离的机体主体6上表面粘合一个EPP(聚丙烯塑料发泡材料)支柱7，用于支撑支柱上表面中间部分粘合的固定支架8，支柱的长度与接触面最窄处等宽，用专用胶水将固定支架、EPP支柱和机体主体稳固连接，机体主体末端的上表面两侧各粘合一个EPP支柱9；由一根转轴穿过机体前端的固定支架8，在固定支架8外侧一定距离处各有一个固定于转轴10的硅板片11，构成了倾转旋翼结构，如图4所示，一根转轴水平同时穿过末端的两个EPP支柱13；这两根转轴10和12的长度等长且长于机体主体宽度；转轴10和12两端各有一个固定支架13，该固定支架13用于安装驱动旋翼的电机14和15。所述EPP材料是一种新型泡沫塑料，是一种性能优越的高结晶型气体复合材料。该材料材质较轻，抗腐蚀能力强，不吸水，具有很强的缓冲作用，做出的水空两栖飞行器质量轻，增加了载重能力。该材料易于加工，可任意切割，做出的船体结构容易粘合，配合专用的胶水使旋翼和机体部分连接稳固。所述的旋翼4，共4个，其选取由电机间的轴距确定，其中机体前端两个为采用同轴转动结构的倾斜旋翼，由两个舵机提供动力，避免引起飞行器的不稳定震荡；尾端为两个固定翼。在飞行模式下，倾转旋翼斜向上的拉力和固定翼向上的拉力作用于机体的重心，保持飞行器的俯仰角平衡；在航行模式下，倾转旋翼向前的推进力保持飞行器在水面稳定航行。所述的机体5中的转轴10和12为轻质碳纤管，重量较轻，结构强度大，直径为2mm，且沿机体中轴线对称，由两个轻微的转轴支撑，利用双舵机卡住舵机16齿轮间的上虚位和下虚位实现倾转，其中，机体前端的转轴10由连接在机体上的舵机16拉动拉杆控制，灵活地控制旋翼的旋转，机体尾端的转轴12仅用来固定，以实现机体尾端的两个旋翼为固定翼的效果。所述的机体中的固定支架8和13，共5个，每个支架包括上下左右四块板材，其中左右方向为转轴的轴体方向，左右的板材为切割出的与转轴直径相同的圆柱槽，用来固定转轴的两端；机体前端中间的固定支架为舵机支架，其圆柱槽内放置微型轴承，轴承与圆柱槽胶合方式固定，下板材与机体前端的EPP板材的上表面粘合，上板材的上表面左右两端各连接一个舵机；其余4个固定支架为电机支架，其上板材的上表面连接电机。如图6所示，所述硬件模块为飞行器提供动力，将采集到的角度、速度、距离、定位信息、图像信息以相应通讯方式传递至控制模块3，包括：电机15：安装在旋翼下端，给旋翼提供动力；舵机16：共2个，包括舵机传动轴的拉杆，拉杆连接固定于转轴的硅板片11，单个舵机的构造如图5所示；主控电路17：位于机体主体内部，采用STM32F405RGT6芯片，可通过调节PWM的占空比并作用于外围电路模块18的无刷电调来调整四个电机的转速，以及处理外围电路模块18采集的数据，继而直接或通过外围电路模块18交由控制模块3控制，主控电路的PCB采用了两面覆铜处理，增强抗干扰能力；外围电路模块18：位于机体主体内部，包括电源，十轴姿态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，其特征在于，该系统包括：机械结构(1)，用于形成飞行器的主体，受硬件模块(2)控制，完成飞行或航行运动；硬件模块(2)，用于提供飞行器动力，实现对角度、速度、距离的测量，以及定位、水文数据和图像的采集功能，将采集到的数据传递至控制模块(3)，并控制飞行器的机械结构(1)运动，调整实时运动状态；控制模块(3)，用于对硬件模块(2)采集的数据进行分析并向硬件模块(2)发送参数指令，当发现遇险目标时，以警报方式提醒搜救人员到达现场提供帮助。

【技术特征摘要】
1.一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，其特征在于，该系统包括：机械结构(1)，用于形成飞行器的主体，受硬件模块(2)控制，完成飞行或航行运动；硬件模块(2)，用于提供飞行器动力，实现对角度、速度、距离的测量，以及定位、水文数据和图像的采集功能，将采集到的数据传递至控制模块(3)，并控制飞行器的机械结构(1)运动，调整实时运动状态；控制模块(3)，用于对硬件模块(2)采集的数据进行分析并向硬件模块(2)发送参数指令，当发现遇险目标时，以警报方式提醒搜救人员到达现场提供帮助。2.根据权利要求1所述的一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，其特征在于：所述机械结构(1)包括机体(5)和旋翼(4)；机体主体(6)呈船形，采用EPP材料做支撑和固定，有自平衡能力；机体主体前端距离机头一定距离的上表面粘合一个EPP支柱(7)，其长度与接触面最窄处等宽，用于支撑支柱上表面中间部分粘合的一个固定支架(8)；机体主体末端的上表面两侧各粘合一个EPP支柱(9)；由一根转轴(10)水平穿过机体主体前端的固定支架(8)，在固定支架外侧一定距离处各有一个固定于转轴(10)的硅板片(11)；一根转轴(12)水平同时穿过机体主体末端的两个EPP支柱(9)；转轴(10)(12)的长度均长于机体主体(6)宽度，且两端各有一个用于安装驱动旋翼的电机的固定支架(13)。3.根据权利要求1所述的一种水空两栖搜救支援无人飞行器系统，其特征在于：所述硬件模块(2)为飞行器提供动力，将采集到的角度、速度、距离、定位信息、水文数据、图像信息以相应通讯方式传递至控制模块(3)，包括：电机(14)(15)：安装在旋翼(4)下端，为旋翼(4)提供动力；舵机(16)：包括舵机传动轴的拉杆，拉杆连接固定于转轴的硅板片(11)；主控电路(17)：位于机体主体(6)内部，通过调节PWM的占空比并作用于外围电路模块(18)的无刷电调来调整四个电机(14)(15)的转速，以及处理外围电路模块(18)采集的数据，继而直接或通过外围电路模块(18)交由控制模块(3)控制，主控电路(17)的PCB采用了两面覆铜处理；外围电路模块(18)：位于机体主体内部，通过通讯接口和主控电路(17)相连接，包括电源，十轴姿态解析模块，无线通信模块，超声波模块，GPS模块，蓝牙模块，PWM驱动控制模块，无刷电调，摄像头，机载传感器模块，各模块包括以下构造和功能：1)电源：采用舵机(16)供电所需的大功率电源模块和主控芯片供电所需的线性稳压电源模块；2)十轴姿态解析模块：集成了高精度的三轴陀螺仪、三轴加速度计、电子罗盘和气压计，其中，三轴陀螺仪用于短时间内测得准确静态俯仰角和横滚角，三轴加速度计用于长时间测量精确的角速度，将二者测得的数据通过卡尔曼数据融合算法获得精确的俯仰角和横滚角；电子罗盘和三轴陀螺仪进行数据融合可得到精确的航向角；气压计用来测量飞行器上升速度和上升高度；3)无线通信模块：用于将数据传递至控制模块(3)，模块带有金属屏蔽壳，使模块抗干扰能力大大提升，增加PA增益，支持远距离传输，支持多种功率配置，能根据不同应用有效节省功耗；4)超声波模块：可实现短距离的非接触测距功能，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有含GPIO、串口在内的多种通信方式，内带看门狗；5)GPS模块：可输出全球定位数据、运输定位数据、卫星状态信息、卫星PRN数据、地面速度信息和大地坐标信息；6)蓝牙模块：调试时，可以点对点无线串口透传方式，接收中继调参电路板(19)的指令和数据；7)PWM驱动控制模块：为主控电路内产生的PWM波的驱动电路；8)无刷电调：用于控制电机(14)(15)完成规定的速度、动作；9)摄影头：用于大面积搜索目标。10)机载传感器：包括流速传感器和氧气浓度传感器，用于测量水文数据信息，为救援提供数据支撑；中继调参电路板(19)：用于辅助飞行器控制模块(3)中主控程序模块(21)内飞行控制算法的PID参数在线整定，包括功能：1)将遥控器(20)指令通过该电路板转发到飞行器主控电路，起到中继的作用；2)用于PID参数的整定，可以将PID参数通过该调参电路板发送到飞行器主控电路；遥控器(20)：近距离时，可...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓飞，申伟伟，孟子晗，王哲，黄霖，梁辰雨，陈浩，叶辉，朱志宇，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32