硬件测试系统包含本项目所使用的硬件设备，主要包括传感器、信号调理器、数据采集设备和计算机等部分。物流包装材料无害化生产过程数据采集系统硬件设备主要包括塑料注塑成型机、计算机、数据采集卡、传感器、信号调理器等。通过数据采集卡获取数据是主要的渠道，系统采用了NI公司基于PCI总线的数据采集卡PCI6221以及USB接口的数据采集卡USB6221，采集卡集成了A-D转换和数字I/O等功能。图6-13 测试系统硬件设计方案表6-3 采集所用的各种传感器......
2023-07-02
无人机硬件系统的优化与结构设计
【摘要】：图5.1 以Pixhawk开源飞控为核心的四旋翼飞行器FCS连接图无人机系统所涵盖的硬件数量本已庞大，随着任务要求的不断深入，应用领域的不断扩展，硬件种类还在持续增加。在本书中，将无人机系统硬件细分为六个部分：飞行控制系统、动力系统、被控对象、有效负载、地面系统和能量单元。有效负载对任务实现的重要性是非常直接的，同时它也影响着无人机系统功能、结构设计、机型选择、硬件组成等方方面面。
图5.1 以Pixhawk开源飞控为核心的四旋翼飞行器FCS连接图
无人机系统所涵盖的硬件数量本已庞大，随着任务要求的不断深入，应用领域的不断扩展，硬件种类还在持续增加。在本书中，将无人机系统硬件细分为六个部分：飞行控制系统、动力系统、被控对象、有效负载、地面系统和能量单元。（请思考问题：你会如何对硬件系统进行分类？为什么进行这样的分类？在你的分类中每个单元之间的输入输出关系是怎样的？）
在本书的讨论中，飞行控制系统（FCS：Flight Control System）包含：控制器模块和反馈模块。控制器模块具体指无人机的控制器芯片，反馈模块则包含种类众多的传感器。我们所说的飞控板有时包含控制器芯片与一部分属于反馈模块的传感器，但在单独的飞控板或电子舱内往往不会包含全部传感器。
不同种类的无人机，动力系统的组成可能会有很大区别，如多旋翼无人机的动力系统一般由电子调速器、无刷电动机、定距桨组成。直升机型无人机的动力系统一般包含伺服电动机、倾斜器、副翼（或电子增稳）、Bell-Hiller等机械结构。本文主要介绍四旋翼无人机的动力系统组成，有兴趣的读者可以在第三章机型介绍中获取其他机型的动力系统组成知识。
被控对象就是无人机本身。本章探讨的是四旋翼无人机，但必须提醒读者将第三章的内容带入到后面知识的学习中，思考无人机设计与任务匹配的关系：根据任务与实际需求的不同，无人机机型在不同应用中会有各种变化，不同机型的机身结构，材料选择，制作工艺等都会有所有区别。（请读者思考问题：结合前一篇的内容及读者自身的经验，如果在与自己最贴近的应用领域中设计一款无人机，哪一种机型合适？为什么？）
图5.2 Puma无人机（图片来源：USDoD）
有效负载是无人机系统与行业应用联系最紧密的部分。有效负载的硬件组成，设计结构往往会根据无人机行业应用的不同有很大区别。如在农药喷洒应用中须考虑与制剂、农作物和作业现场环境等相匹配的喷灌系统，而在精准农业的应用中也可能搭载近红外相机采集多光谱影像为农业分析提供数据支持，在航拍领域有效负载却可能化身为机械云台和专业相机，在自拍领域则可能变为近距离人像采集的电子防抖摄像头。有效负载对任务实现的重要性是非常直接的，同时它也影响着无人机系统功能、结构设计、机型选择、硬件组成等方方面面。它构成了无人机系统与应用行业的直接纽带，是行业应用类读者需要关注的领域，也是创业者可以重点挖掘的矿藏。（请思考问题：在你关注的应用领域中已经使用了哪些有效负载？为什么？这些有效负载会采集哪些类型的数据？如何对这些数据进行处理？还有哪些数据是有用的但并未被采集？）
图5.3 通过地面控制站对无人机系统进行起飞前校正（图片来源：NIST）
图5.4 RQ-11渡鸦无人机一体化控制系统（图片来源：维基百科）
地面系统根据处理数据种类及要求的不同可能只是遥控信号发射器，也可能包含复杂的地面处理软件平台，还有可能是移动端APP。随着无人机与数据越来越紧密的结合，整个系统中数据的作用正在从单一的信息传递向系统价值核心迁移。在这个过程中，地面控制站系统开始扮演者越来越重要的角色。以往地面控制站仅仅作为控制信号的发射端或者飞控的附加系统，但未来地面系统必然承载越来越多的工作，它们将直接服务于整个系统的核心价值：数据，这将不断增强它在整个无人机系统中的重要性。（请思考问题：你使用过哪种地面控制站？这些地面控制站有哪些功能？其中哪些对于你的应用最重要？还缺少哪些你需要的功能？）
图5.5 通过太阳能供电的Helios无人机（图片来源：NASA）
能量单元一般指专为无人机本身提供动力的模块。能量单元对任何机器人系统而言都是非常重要的，就好比吃饭喝水对人的重要性一样，它直接限制了无人机系统的有效工作时间。
图5.6 无人机通过复杂成像技术辨识地表杂草（图片来源：CSIRO）
无人机系统的构成以及其中各个部分的实现方式根据任务要求的不同会产生很大区别，因此囊括所有应用需求的无人机硬件系统是不存在的。城堡在本书中将把硬件系统范围固定在当下个人用户最常使用的多旋翼航拍系统中，同时强烈提醒各位读者，不要被某一类无人机系统知识限制住自己的创造性，而要不断思考：我感兴趣的行业有什么具体要求？这些要求的本质是什么？与这种要求对接的机型如何选择？传感器范围怎么确定？功能如何匹配？知识应该能够引发更多的问题，而问题才能带来思考，只有思考才能带来创新。
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2023-06-22
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2023-07-05
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