2018年_B题：灭火飞行器（本科）

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发布项目

任务名称

2018年_B题：灭火飞行器（本科）

任务要求

难度

2018年_B题：灭火飞行器（本科）

一、任务

基于四旋翼飞行器设计一个灭火飞行器（简称飞行器）。飞行器活动区域示意图如图1所示。在图1中，左下方的圆形区域是飞行器起飞及降落点；右侧正方形区域是灭火防区，防区中有4个用红色LED模拟的火源（火源用单只0.5W红色发光二极管来实现，建议LED电流不超过25mA）。飞行器起飞后从A处进入防区，并以指定巡航高度在防区巡逻；发现防区有火源，用激光笔发射激光束的方式模拟灭火操作；所有火源全部熄灭后，飞行器从B处飞离防区返航，返航途中需穿越一个矩形框。从起飞到降落的整个操作过程不得超过5分钟，时间越短越好。

二、要求

飞行器从起飞地点垂直起飞升高到150cm±10cm的巡航高度。（15分）
在起飞点的巡航高度上悬停15秒，然后以巡航高度从A处进入防区巡航飞行。（10分）
飞行器发现防区内的火源后，飞往火源上方用上激光笔照射火源作为灭火；激光笔光斑在以火源为圆心、直径20cm圆形区域保持2秒及以上即视为灭火成功。（30分）
飞行器从B处飞离防区。（10分）
返航途中飞行器需要穿过一个宽高为10070cm的矩形框。（15分）
回到降落点上空，垂直下降，准确平稳地降落在降落点；（10分）
整个飞行过程计时得分。（10分）
其他。（10分）
设计报告（20分）

三、说明

参赛队使用飞行器时应遵守中国民用航空局的相关管理规定。
飞行器桨叶旋转速度高，有危险！请务必注意自己及他人的人身安全；操作者需佩戴防护镜及防护手套。
飞行器可自制或外购，飞行器机身必须标注参赛队号；飞行器桨叶固定轴间最大轴间距不超过50cm；飞行器必须带防护圈，否则不予测试。
以模拟火源的LED为圆心，画一个直径20cm的圆（边缘线宽不超过1mm），以便观察灭火动作。
防区边缘有5cm宽黑色边框。
测试现场无阳光直射。
飞行器的旋翼的数量不少于两个。
飞行器的姿态检测及飞行控制必须使用TI 公司的处理器，例如C2000、MSP432、TIVA M4、MSP430等。所有的电路板应方便评测专家检查芯片使用情况。
返航途中任意放置的矩形框宽100cm，高70cm；边框为黑色，边框宽度不大于6cm，矩形框下边框距地面110cm；建议采用KT板、泡沫等轻质材料。
起飞前，飞行器可手动放置到起飞点；起飞可手动控制，起飞后整个飞行过程中不得人为干预；若采用飞行器外的启动或急停装置，起飞后必须立刻将装置交给评审专家。
每次测试全程中不得更换电池；允许测试2次，两次测试之间允许更换电池，更换电池时间小于2分钟。
飞行器起飞及降落必须垂直进行，否则将酌情扣分；飞行器起飞后必须在指定高度巡航，否则将酌情扣分。
飞行器必须从指定位置进出巡航区，巡航灭火期间飞行器外缘偏离巡航区一个机身以上将酌情扣分；飞行器必须从指定方向返回起飞点降落。
飞行期间，飞行器触及地面后自行恢复飞行的，酌情扣分；触地后5s内不能自行恢复飞行视为失败，失败前完成动作仍计分。
平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行等情况出现。
为安全起见，可沿飞行区域四周架设安全网（长500cm，宽400cm，高 200cm），顶部无需架设。

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、硬件选择与配置

飞行器组件：
- 四旋翼无人机（Quadcopter）
  - 配备飞控板（如Pixhawk、NAZA等），支持高度保持和定位导航。
- 电机及推进系统：
  - 适当选择电机和螺旋桨以满足飞行稳定性和负载要求。
- 电池：
  - 高能量密度的锂电池，能确保操作时间不小于5分钟。
传感器：
- 高度传感器：
  - 超声波传感器或激光测距仪，用于精确的高度控制。
- GPS模块：
  - 提供位置和导航信息。
- IMU（惯性测量单元）:
  - 包括加速计、陀螺仪，确保飞行稳定。
灭火装置：
- 高亮度红色LED模块（0.5W，带光学聚焦镜头），模仿火源。
- 蓝色激光笔（安全等级2类），用于模拟灭火器。

二、软件设计与飞控逻辑

1. 起飞与悬停:

使用PID控制算法实现飞行器从起点垂直起飞，达到150cm±10cm的高度，并在该高度悬停15秒。

void takeoff_and_hover(float target_height, float hover_time) {
    activate_motors();
    reach_height(target_height);
    delay(hover_time);
}

void activate_motors() {
    // 初始化电机控制
}

void reach_height(float target_height) {
    // 使用高度传感器和PID控制算法达到目标高度
}

悬停结束后，飞行器以150cm的高度巡航至A点区域，并开始在防火区内巡航。

void nav_to_A_and_patrol() {
    navigate_to_A();
    patrol_in_A();
}

void navigate_to_A() {
    // 使用GPS和IMU导航到A点区域
}

void patrol_in_A() {
    // 实现防火区内巡航路径规划
}

2. 火源检测与灭火:

飞行器通过视觉或红外传感器检测到火源，并悬停在火源20cm范围内，使用激光笔照射火源2秒以上。

void detect_and_extinguish_fire() {
    if (detect_fire_source()) {
        hover_over_fire_source();
        activate_laser_for_extinguish();
    }
}

bool detect_fire_source() {
    // 使用传感器或摄像头检测火源位置
    return new_fire_detected;
}

void hover_over_fire_source() {
    // 调整飞行器位置，悬停在火源上方20cm处
}

void activate_laser_for_extinguish() {
    activate_laser();
    delay(2);  // 激光笔照射火源2秒以上
    deactivate_laser();
}

3. 返回B点并着陆:

所有火源成功熄灭后，飞行器从A区域退出并导航回到B点，并安全着陆。

void return_and_land_at_B() {
    navigate_to_B();
    land_at_B();
}

void navigate_to_B() {
    // GPS导航到B点
}

void land_at_B() {
    reduce_altitude(0);
    deactivate_motors();
}

void reduce_altitude(float target_height) {
    // 使用PID控制算法降落到目标高度
}

void deactivate_motors() {
    // 关闭电机
}

三、调试与测试

初步测试：
- 完成硬件装配与飞控程序后，进行地面调试，包括起飞、悬停、导航、巡航和着陆等功能。
火源检测测试：
- 模拟火源点亮测试，确保传感器准确感知并能正确激光灭火。
实际测试与调优：
- 在消防活动区域按照任务要求进行多次测试，通过调优飞控参数和改进程序，确保在规定时间内完成任务。

这个题目考察的主要知识点：

这个题目考察了无人机飞控技术，涉及应用的硬件和传感器（如GPS、高度传感器、激光笔等），飞行器的编程和控制（包括起飞、悬停、巡航、火源检测与熄灭，以及返回与降落的自动化控制），以及路径规划和实时图像分析（用于火源检测和精确定位）。