【固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)及起飛環(huán)境識(shí)別淺析3700字（論文）】

固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)及起飛環(huán)境識(shí)別淺析目錄TOC\o"1-2"\h\u31022固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)及起飛環(huán)境識(shí)別淺析 121786引言 146071固定翼無人機(jī)的設(shè)計(jì) 1170961.1需求與設(shè)計(jì)要求 1116971.2飛機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì) 366811.3機(jī)身設(shè)計(jì)與裝載布置 478501.4動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5131.5結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì) 5269581.6機(jī)械系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng) 5136261.7總體布置協(xié)調(diào)與外形設(shè)計(jì) 6272902無人機(jī)飛控系統(tǒng)及視覺識(shí)別測(cè)距模塊設(shè)計(jì) 7119002.1無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7267582.2視覺識(shí)別模塊 821581結(jié)語 9629參考文獻(xiàn) 11摘要:固定翼無人機(jī)具有高空、遠(yuǎn)距離、重載等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)技術(shù)研究中扮演重要的科研平臺(tái)角色，但是其起飛和降落環(huán)節(jié)嚴(yán)重依賴駕駛者的經(jīng)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)主要在兩個(gè)方面進(jìn)行了探索性的研究，一是固定翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)和制作；二是對(duì)固定翼無人機(jī)起飛環(huán)境的視覺識(shí)別。運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺方面的技術(shù)對(duì)固定翼無人機(jī)的起飛環(huán)境進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)固定翼無人機(jī)的自動(dòng)駕駛控制，是降低固定翼無人機(jī)對(duì)駕駛者經(jīng)驗(yàn)需求的重要方向之一。關(guān)鍵詞：固定翼；無人機(jī)；環(huán)境識(shí)別引言隨著我國無人機(jī)在商用市場(chǎng)及軍事應(yīng)用方面大放異彩，無人機(jī)在預(yù)警、偵察、環(huán)境檢測(cè)、安防、物流等方面正在逐步取代以人工操控為主的傳統(tǒng)方式[1]。而固定翼無人機(jī)在工作時(shí)間、高度、航程和載重量上都具備極大的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)起飛與降落的跑道往往伴隨著很多障礙物，路面往往并不平整，因此判斷跑道是否符合起飛與降落條件是解決固定翼無人機(jī)自主駕駛的重點(diǎn)研究方向之一。本設(shè)計(jì)主要工作內(nèi)容是進(jìn)行一款固定翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)與制作，并在固定翼無人機(jī)上搭載自動(dòng)駕駛儀和激光測(cè)距模塊，完成對(duì)無人機(jī)起飛的跑道的環(huán)境識(shí)別工作。1固定翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)1.1需求與設(shè)計(jì)要求1.1.1飛行剖面固定翼無人機(jī)飛行無人航空載具是指無人機(jī)為完成特定任務(wù)而繪制的飛行路徑圖，是無人機(jī)技術(shù)要求的重要組成部分，同樣也是固定翼無人機(jī)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重要依據(jù)[2]。正常情況下，其飛行剖面主要是以基地作為核心，飛行階段的構(gòu)成則在于五點(diǎn)，即一是起飛；二是爬升；三是巡航；四是下降；五是著陸；詳情見下如土1-1所示：圖1-1飛行剖面圖1.1.2飛行性能飛行性能是在設(shè)計(jì)要求里必須給出來的內(nèi)容。一般的飛行性能主要包括：飛行速度、飛行高度、航行能力、起飛著陸性能、機(jī)動(dòng)性等。其中，飛行速度包括最大飛行速度、巡航速度、失速速度；起飛著陸系統(tǒng)性能包含起飛速度、起飛滑跑距離、著陸速度、著陸滑跑距離；飛行高度包含巡航高度、理論升限、實(shí)用升限；航行能力包含航程、任務(wù)半徑及最大續(xù)航時(shí)間[3]。本無人機(jī)的主要飛行參數(shù)如下：最大飛行速度：120km/h巡航速度：80km/h失速速度：40km/h巡航高度：3000km理論升限：4500km實(shí)用升限：3000km航程：200km任務(wù)半徑：90km最大續(xù)航時(shí)間：2小時(shí)起飛速度：50km/h起飛滑跑距離：100m著陸速度：45km/h著陸滑跑距離：40m1.1.3有效載荷有效載荷又被稱為商載或酬載。本無人機(jī)主要載荷為各種實(shí)驗(yàn)載荷。為滿足各種實(shí)驗(yàn)要求，無人機(jī)的最大有效載荷需大于20kg。1.1.4功能系統(tǒng)功能系統(tǒng)主要涵蓋機(jī)載通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等。本無人機(jī)的機(jī)載通信系統(tǒng)主要為915M數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS；顯示系統(tǒng)主要采用Arkbird-1080P數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)；飛行控制系統(tǒng)主要采用Arkbird3.0飛行控制器。1.1.5概念草圖固定翼無人機(jī)的草圖如下圖1-2所示。圖1-2概念草圖1.2飛機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)根據(jù)水平尾翼與主機(jī)翼的相對(duì)位置，可以劃分出以下三類主要的常規(guī)布局形式，如下圖1-3所示。正常布局：無人機(jī)的平尾位于主機(jī)翼之后。無尾布局：沒有水平尾翼。鴨式布局：無人機(jī)的平尾位于主機(jī)翼之前[4]。圖1-3飛機(jī)布局圖本無人機(jī)采用正常式布局，采用正常式布局可保證飛機(jī)各部分的力通過飛機(jī)的重心，進(jìn)而可以保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。1.3機(jī)身設(shè)計(jì)與裝載布置本固定翼無人機(jī)在設(shè)計(jì)之初即明確具有20kg的有效載荷搭載能力，且搭載載荷的尺寸最大為。所以飛機(jī)的主載荷艙段幾何尺寸。其機(jī)身設(shè)計(jì)剖面圖如下圖1-4所示。圖1-4機(jī)身剖面圖1.4動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的固定翼無人機(jī)的最大起飛重量為30kg,按照民航客機(jī)的一般起飛推重比0.23計(jì)算（），發(fā)動(dòng)機(jī)需要提供7kg以上的推動(dòng)力。同時(shí)為了減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)，以及較高的巡航速度，在本無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)選取采用了涵道電機(jī)。同時(shí)為了減輕無人機(jī)主翼的展向加載及節(jié)省機(jī)身內(nèi)部空間，將兩臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛在主翼的機(jī)翼上，起到了一定的卸載作用[5]。1.5結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)主載荷艙采用框架式結(jié)構(gòu)，由機(jī)身肋板、碳纖維管及機(jī)身蒙皮構(gòu)成。主載荷艙由14個(gè)機(jī)身肋板與6根碳纖維管組成，可以在保證強(qiáng)度的前提下極大的降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，主載荷艙框架結(jié)構(gòu)如下圖1-5所示。圖1-5主載荷艙框架結(jié)構(gòu)1.6機(jī)械系統(tǒng)和航空電子系統(tǒng)1.6.1機(jī)械系統(tǒng)本無人機(jī)的主要機(jī)械系統(tǒng)為布置在機(jī)身上的11個(gè)舵機(jī)，機(jī)身舵機(jī)的分布位置及數(shù)量如下表1-1所示。表1-1舵機(jī)分布表序號(hào)位置功能數(shù)量1機(jī)頭前置攝像頭控制攝像頭偏轉(zhuǎn)12前起落架控制前輪轉(zhuǎn)向13主載荷艙艙門控制載荷艙艙門14前緣縫翼控制縫翼25后緣襟翼控制襟翼26副翼實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)27垂直尾翼實(shí)現(xiàn)偏航18水平尾翼實(shí)現(xiàn)俯仰1固定翼無人機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1-6所示。圖1-6機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.6.2航空電子系統(tǒng)本無人機(jī)的航空電子設(shè)備由飛控、GPS、空速計(jì)、圖像識(shí)別模塊、圖像傳輸模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、無人機(jī)飛行控制接收機(jī)組成。固定翼無人機(jī)的航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1-7所示。圖1-7航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.7總體布置協(xié)調(diào)與外形設(shè)計(jì)固定翼無人機(jī)的總體布置主要指機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架及航電系統(tǒng)的布置，外形設(shè)計(jì)主要指飛機(jī)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中無人機(jī)的總體布置如下圖1-8所示，主機(jī)翼安裝在機(jī)身的前半段靠近無人機(jī)的幾何重心，T型垂尾安裝在機(jī)尾，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)吊裝在主翼下方，前起落架收放在機(jī)頭，主起落架收放在機(jī)身起落架短艙內(nèi)[6]。圖1-8無人機(jī)設(shè)計(jì)布置圖本設(shè)計(jì)中無人機(jī)的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)如下圖1-9所示，該固定翼無人機(jī)采用上單翼，T型垂尾、主翼末端后掠。圖1-9無人機(jī)氣動(dòng)外形2無人機(jī)飛控系統(tǒng)及視覺識(shí)別測(cè)距模塊設(shè)計(jì)2.1無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)以無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀為核心，以圖像識(shí)別模塊為輔助。無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀采用Arkbird3.0飛控；計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺系統(tǒng)識(shí)別功能模塊的底層技術(shù)硬件是NVIDIA

Jetson

nano開發(fā)板，采用的視覺識(shí)別框架是yolov4。固定翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖2-1所示。圖2-1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2視覺識(shí)別模塊2.2.1簡(jiǎn)述本視覺識(shí)別模塊是為了識(shí)別固定翼無人機(jī)起飛環(huán)境而建立的，計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺識(shí)別的硬件基礎(chǔ)為NVIDIAJetsonnano，其視覺識(shí)別框架采用的是yolov4。然而，由于視頻實(shí)時(shí)對(duì)象識(shí)別的計(jì)算量巨大，必須在硬件平臺(tái)和識(shí)別算法之間加入一些用來加速計(jì)算的技術(shù)，這些技術(shù)有：CUDA、CuDNN及OpenCV[7]。Jetsonnano：一個(gè)小型的嵌入式設(shè)備，提供了強(qiáng)大的AI性能。開發(fā)板的中央處理器為64位四核心ARMA57；圖形處理器為Maxwell架構(gòu)的128核心。同時(shí)擁有4GB的低壓第四代運(yùn)行內(nèi)存。CUDA屬于軟件架構(gòu)，能夠用于對(duì)CPU應(yīng)用程序的有效計(jì)算。使用GPU并行計(jì)算引擎可以更有效地解決更復(fù)雜的計(jì)算問題。CuDNN：是深度學(xué)習(xí)神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的GPU加速庫。具有性能高、易用性好和低內(nèi)存開銷的優(yōu)點(diǎn)。OpenCV為推動(dòng)計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，在此領(lǐng)域中屬于一個(gè)。同時(shí)適配主流的軟硬件平臺(tái)，本設(shè)計(jì)使用的OpenCV版本是OpenCV4.1.1。2.2.2YOLOv4圖像目標(biāo)檢測(cè)是為了解決圖像里的物體是什么，以及物體在圖像中哪個(gè)位置的問題[8]。對(duì)于圖像目標(biāo)檢測(cè)來說，輸入為圖片，輸出的數(shù)據(jù)是圖片里每個(gè)物體的屬性類別和坐標(biāo)位置，在YOLO中物體的位置會(huì)被框住，如圖2-2。圖2-2圖像物體識(shí)別YOLO的圖像目標(biāo)檢測(cè)方法如下：以輸入圖像為核心，將其進(jìn)行有效劃分，形成M×M網(wǎng)格，譬如，8×8=64個(gè)網(wǎng)格，如若某個(gè)網(wǎng)格單元中出現(xiàn)了圖像目標(biāo)中心，則其需要開展相應(yīng)的檢測(cè)工作[9]。另外，圍繞著各網(wǎng)格單元開展置信度分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)工作，目的是為了明晰某個(gè)物體在框內(nèi)出現(xiàn)的概率。關(guān)于邊界框置信分?jǐn)?shù)有關(guān)的定義，具體如下所述：各邊界框所擁有的預(yù)測(cè)值均為5個(gè)，即，一是x；二是y；三是w；四是h；五是confidence，其中，x所代表的為邊界框的寬，而y則為高；confidence所表示的為groundtruth和邊界框兩者擁有的準(zhǔn)確性。由于預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)需要對(duì)類別與位置兩者進(jìn)行同時(shí)開展，所以，需要明晰邊界框中各網(wǎng)格單元擁有的輸出概率集合。測(cè)試環(huán)節(jié)中在對(duì)邊界框擁有的置信分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要建立在分類概率和各框置信度兩者相乘的基礎(chǔ)上。對(duì)比分析YOLO和R-CNN框架系列：CNN類框架采用regionproposals，需要分開調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行慢[10]。結(jié)語本設(shè)計(jì)針對(duì)固定翼無人機(jī)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別兩個(gè)方面進(jìn)行探索。該無人機(jī)的最大起飛重量為30kg，最大航程為200km，最大空中續(xù)航時(shí)間為兩小時(shí)，實(shí)用巡航高度為3000m。在設(shè)計(jì)過程中從需求出發(fā)，畫概念圖；由概念圖進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中采用CAD軟件，全程可視化；設(shè)計(jì)完成后運(yùn)用CFD軟件對(duì)無人機(jī)的氣動(dòng)外形進(jìn)行仿真，得到較為優(yōu)秀的氣動(dòng)外形。在計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別方面，基于NVIDIAJetsonnano平臺(tái)，運(yùn)用YOLOv4框架實(shí)現(xiàn)，對(duì)識(shí)別出的障礙物進(jìn)行測(cè)距，以便于后期規(guī)劃無人機(jī)的起飛。

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