摘

要：2021年是國家“十四五”規(guī)劃開局之年，氣象探測(cè)作為我國氣象領(lǐng)域的重要組成部分，其在軍事、國防、科研、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)文明建設(shè)中起著重要作用。當(dāng)前我國傳統(tǒng)大氣電場強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)不夠完善，普遍存在測(cè)量精度低、設(shè)備便攜性差等缺點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)了一種搭載自主研發(fā)的電場強(qiáng)度測(cè)量模塊的多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)結(jié)構(gòu)，介紹了電場強(qiáng)度值的采集、處理及數(shù)字可視化過程，詳細(xì)闡述了無人機(jī)各部分的選材，以保證在可能預(yù)見的惡劣天氣下進(jìn)行氣象探測(cè)。該無人機(jī)機(jī)身強(qiáng)度較大，測(cè)量模塊設(shè)計(jì)有保護(hù)設(shè)施，電場強(qiáng)度測(cè)量模塊具有較好的精度，能克服傳統(tǒng)大氣電場強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)的不足，為今后大氣電場強(qiáng)度測(cè)量提供了一種新的方法。關(guān)鍵詞：靜電場測(cè)量；壓電效應(yīng)；無人機(jī)0

引言隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，多旋翼無人機(jī)作為一種搭載平臺(tái)廣泛應(yīng)用于航拍、傳染病監(jiān)控、測(cè)繪和救災(zāi)等方面。傳統(tǒng)氣象探測(cè)采用氣象火箭、激光雷達(dá)和衛(wèi)星遙感等探測(cè)手段，其回收難度高，儀器價(jià)格昂貴，施放安全性差。進(jìn)一步采用氣象氣球進(jìn)行探測(cè)時(shí)，其成本低、操作靈活，但儀器回收難度高。而多旋翼無人機(jī)具有高效安全、易操作、效果好、低成本等優(yōu)點(diǎn)，以此作為氣象探測(cè)設(shè)備的一個(gè)載體實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，可獲得大量高精度的氣象資料，實(shí)時(shí)掌握高空氣象情況。本文設(shè)計(jì)了一款適用于靜電場檢測(cè)的氣象無人機(jī)，借助無人機(jī)搭載大氣測(cè)量裝置，用于大氣電場強(qiáng)度測(cè)量，能夠精確有效地實(shí)現(xiàn)高空氣象測(cè)量并掌握其情況。1

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)及流程1.1

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)本文所設(shè)計(jì)的大氣電場測(cè)量多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)主要由多旋翼無人機(jī)及電場測(cè)量系統(tǒng)組成。多旋翼無人機(jī)主要包含機(jī)臂、螺旋槳、電機(jī)、ABS高分子復(fù)合材料保護(hù)罩、十字安裝支架，電場測(cè)量系統(tǒng)主要包含電場測(cè)量陣列、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、激勵(lì)源接口電路。大氣電場測(cè)量多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：（1）相鄰旋翼的電機(jī)軸距大于等于500mm；（2）連接臂的長度大于等于400mm；（3）十字安裝支架長度小于等于440mm；（4）ABS高分子復(fù)合材料保護(hù)罩直徑等于39mm；（5）待測(cè)區(qū)域內(nèi)飛行垂直高度范圍為500～1000m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮無人機(jī)結(jié)構(gòu)布局與電場測(cè)量系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)以及在不同氣象環(huán)境下對(duì)測(cè)量電場數(shù)值的影響。1.2

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程本文設(shè)計(jì)的無人機(jī)是一架成本低、可操作性強(qiáng)的大氣電場測(cè)量多旋翼無人機(jī)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)主要流程如圖1所示，首先需考量無人機(jī)機(jī)體的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及核心部分電場測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；其次需建立分析模型，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的合理性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性進(jìn)行分析；最后通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使大氣電場測(cè)量多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。2

系統(tǒng)模塊化實(shí)現(xiàn)2.1

電場強(qiáng)度測(cè)量模塊該多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)中的電場強(qiáng)度測(cè)量模塊采用自主研發(fā)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，模塊由壓電元件、外部電容Cp構(gòu)成。通過壓電元件的壓電效應(yīng)，在激勵(lì)源接口電路用一個(gè)頻率可變的激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使壓電元件的電容值在其最大值和最小值間跳動(dòng)，當(dāng)壓電元件電容值與Cp電容值不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷流動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到數(shù)據(jù)后，即可測(cè)得大氣電場強(qiáng)度值。2.2

數(shù)據(jù)采集模塊及處理采用AD7606作為數(shù)據(jù)采集模塊，AD7606是16位、8通道同步采樣芯片，采用5V單電源供電，具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗。AD7606封裝為50mm×50mm×12mm，并且支持SPI和I2C通信接口，具有較好的精度。采用STM32F767系列MCU芯片處理采集到的數(shù)據(jù)，STM32F767有多達(dá)28個(gè)通信接口，包括4個(gè)帶有新型可選數(shù)字濾波功能的I2C接口，2個(gè)DAC及3個(gè)ADC、12個(gè)定時(shí)器。利用U＝-Q/Cp，將電場測(cè)量模塊中的電荷量轉(zhuǎn)換為電壓量，通過測(cè)量電壓改變量及壓電元件的電容值，利用以下公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到所測(cè)的大氣電場強(qiáng)度值：式中：d為壓電元件厚度；C1、C2為壓電元件電容的最大、最小值；ΔV為壓電元件電容值C1、C2所對(duì)應(yīng)的電壓差值；Cp為外部電容電容值。2.3

多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)機(jī)身材料表1列出了幾種無人機(jī)機(jī)架的材料，可以看到，在滿足多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的前提下，碳纖維復(fù)合材料擁有諸多優(yōu)勢(shì)。（1）密度低且比強(qiáng)度大。相較于其他材料，在滿足多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)強(qiáng)度的前提下，碳纖維復(fù)合材料的高比強(qiáng)度及低密度能夠大大減輕無人機(jī)機(jī)身重量，確保無人機(jī)有更長的飛行距離和工作時(shí)間，具有較高的性能。（2）耐腐蝕性能好。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠耐受包括雨水在內(nèi)多種液體的腐蝕，與其他材料相比，能最大限度地保障多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)的使用壽命，降低維護(hù)成本。（3）穩(wěn)定性好。與其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有較大的抗張強(qiáng)度，抗破壞能力強(qiáng)，能較好地保障無人機(jī)在極端天氣下作業(yè)的穩(wěn)定性。鑒于碳纖維復(fù)合材料在各方面的優(yōu)勢(shì)，該多旋翼氣象探測(cè)無人機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)使用碳纖維復(fù)合材料。2.4

傳感器保護(hù)罩材料選擇作為通用工程塑料中應(yīng)用最廣泛的品種之一，ABS因綜合了丙烯腈的耐化學(xué)藥品性、耐油性、剛性，丁二烯的韌性和耐寒性以及苯乙烯良好的加工性能而被廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備、機(jī)械配件以及包裝材料等領(lǐng)域。從電學(xué)性能上看，ABS高分子材料自身具有高絕緣性（表面電阻率為4×1015Ω），使其表面電導(dǎo)率較小，電磁屏蔽效能小，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部傳感器的工作干擾較小，有利于保護(hù)罩內(nèi)部傳感器的精密測(cè)量；從抗靜電功能上看，ABS較高的電阻率使積聚在其表面的電荷極難疏導(dǎo)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生靜電積累，導(dǎo)致吸塵、電擊現(xiàn)象，故本文選擇抗靜電ABS復(fù)合材料。經(jīng)過對(duì)比炭黑/碳纖維/ABS復(fù)合材料、ABS/改性PVA永久抗靜電復(fù)合材料以及新型抗靜電阻燃ABS材料等ABS復(fù)合材料發(fā)現(xiàn)：（1）對(duì)于炭黑/碳纖維/ABS復(fù)合材料，經(jīng)陳曉燕等研究發(fā)現(xiàn)，其抗靜電能力顯著，但其加工困難，不易分散，且電磁屏蔽力較高，對(duì)本文涉及傳感器工作的影響較大。（2）對(duì)于ABS/改性PVA永久抗靜電復(fù)合材料，經(jīng)王雷等研究發(fā)現(xiàn)，其具有突出的抗靜電性，為永久抗靜電材料，價(jià)格低廉，且該材料的表面電阻率較大（當(dāng)改性PVA的含量在25%以上，復(fù)合材料的表面電阻率可降低到2.23×109Ω以下），對(duì)電磁波的屏蔽能力很低（0～10dB)，符合本文保護(hù)罩性能要求。（3）對(duì)于新型抗靜電阻燃ABS材料，經(jīng)秦旺平等研究發(fā)現(xiàn)，其抗靜電性能不受環(huán)境濕度的影響，抗靜電劑不發(fā)生遷移和析出，通過形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)傳遞電荷，具有永久抗靜電性能，但抗靜電劑對(duì)ABS力學(xué)性能影響較大，且電磁屏蔽能力強(qiáng)，不利于本文的傳感器保護(hù)。基于上述分析，選用ABS/改性PVA永久抗靜電復(fù)合材料作為傳感器保護(hù)罩材料。2.5

數(shù)據(jù)可視化通過STM32F767驅(qū)動(dòng)LCD液晶屏，并采用SVG矢量圖形技術(shù)的方式進(jìn)行直觀的可視化呈現(xiàn)，通過LCD屏幕將數(shù)據(jù)和氣象探測(cè)要素顯示給地面無人機(jī)操作人員。LCD屏幕價(jià)格低廉，軟件支持完善，能滿足基本傳輸顯示需求。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通信則可采用WebSocket技術(shù)。3

無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1

無人機(jī)主架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過對(duì)生活實(shí)例及相關(guān)文獻(xiàn)的參考，所采用的無人機(jī)為四旋翼結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)樣式如圖3所示，主要由安裝支架7、十字安裝支架8、機(jī)臂9、電機(jī)10、螺旋槳11、電場測(cè)量模塊12、數(shù)據(jù)采集模塊13、數(shù)據(jù)處理模塊14、激勵(lì)源接口電路15等零部件構(gòu)成。其中，機(jī)臂9一端與無人機(jī)本體連接，另一端與螺旋槳11連接，無人機(jī)本體中存在電機(jī)10，電機(jī)使用導(dǎo)線通過機(jī)臂與螺旋槳連接，對(duì)無人機(jī)的螺旋槳進(jìn)行供電，構(gòu)成了基本的四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)，安裝支架7安裝在無人機(jī)中心位置，4個(gè)電場測(cè)量模塊12通過螺釘安裝在十字安裝支架8上，十字安裝支架固定在安裝支架頂部，在整個(gè)無人機(jī)的頂部構(gòu)成十字型的測(cè)量陣列，無人機(jī)升空后該模塊在無人機(jī)的最高點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，激勵(lì)源接口電路15固定在安裝支架的頂部，在十字安裝支架的中心位置，與4個(gè)電場測(cè)量模塊12通過導(dǎo)線相連，可對(duì)4個(gè)電場測(cè)量模塊12進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，數(shù)據(jù)采集模塊13、數(shù)據(jù)處理模塊14均固定在安裝支架的重心處，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與處理。3.2

電場測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電場測(cè)量模塊主要由壓電陶瓷內(nèi)片1、壓電陶瓷外片2、ABS高分子復(fù)合材料保護(hù)罩3、螺釘固定槽4、壓電陶瓷外電極5、壓電陶瓷內(nèi)電極6、絕緣層7等部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，電場測(cè)量模塊內(nèi)是一塊壓電陶瓷片，壓電陶瓷內(nèi)片1位于壓電陶瓷片的中心位置，在壓電陶瓷片的上方有1個(gè)半圓形的ABS高分子復(fù)合材料保護(hù)罩3，壓電陶瓷片的4個(gè)角分別有1個(gè)螺釘固定槽4，用來使用平頭螺釘將壓電陶瓷片固定在十字安裝支架上，壓電陶瓷外電極5與壓電陶瓷內(nèi)電極6之間有一絕緣層7將兩電極隔離，壓電陶瓷外電極5與激勵(lì)源接口電路用導(dǎo)線進(jìn)行連接，壓電陶瓷內(nèi)電極6與數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行連接。4

系統(tǒng)整合及綜合評(píng)估4.1

靜電場測(cè)量步驟第一步，操作大氣電場測(cè)量多旋翼無人機(jī)飛行至高空，待無人機(jī)飛行穩(wěn)定后，使用激勵(lì)源接口電路開始向電場測(cè)量模塊發(fā)出激勵(lì)信號(hào)。第二步，激勵(lì)源接口電路開始測(cè)量壓電陶瓷的諧振頻率，并向雙電極電容式靜電場傳感器的外電極層給定一個(gè)頻率可以改變的信號(hào)，使電場測(cè)量模塊中的雙電極電容式靜電場傳感器中的內(nèi)外電極層構(gòu)成的電容器電容值達(dá)到穩(wěn)定。在電場環(huán)境中，當(dāng)有外界靜電場影響時(shí)，電場測(cè)量模塊輸出表征電場強(qiáng)度的信號(hào)。第三步，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電場測(cè)量模塊測(cè)量后所輸出的表征電場強(qiáng)度的信號(hào)進(jìn)行采集，通過信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換處理得到測(cè)量出的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP數(shù)據(jù)處理模塊。第四步，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)電場強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得到的電場強(qiáng)度值進(jìn)行存儲(chǔ)。第五步，無人機(jī)著陸后，對(duì)無人機(jī)內(nèi)部儲(chǔ)存數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到測(cè)量的大氣電場強(qiáng)度。4.2

裝置優(yōu)勢(shì)（1）本裝置主體為無人機(jī)，使用無人機(jī)攜帶大氣測(cè)量裝置升空，無人機(jī)使用方便，操作靈活，能夠在地面操作人員的控制下升空對(duì)大氣進(jìn)行測(cè)量。（2）裝置總體質(zhì)量較輕，利于攜帶，可將裝置帶到需要進(jìn)行大氣測(cè)量的地點(diǎn)進(jìn)行操作。（3）使用無人機(jī)進(jìn)行大氣測(cè)量，因可多次操作無人機(jī)升空，同一個(gè)儀器可多次反復(fù)使用，減少成本，無人機(jī)測(cè)量完成后可以回收，不會(huì)造成儀器殘留污染環(huán)境。（4）本裝置的大氣測(cè)量方法為無人機(jī)攜帶測(cè)量裝置升空，在空中能更加準(zhǔn)確地對(duì)大氣進(jìn)行測(cè)量，得到更為精確的數(shù)據(jù)。4.3

存在的不足（1）受限于無人機(jī)的續(xù)航能力，使用無人機(jī)升空進(jìn)行測(cè)量，難以長時(shí)間滯空。（2）由于空域管制和安全性