意念控制的四轴飞行器侦察系统设计

1万 · 2019-8-23 15:30

现在钢铁侠马斯克也在搞他的一个脑机接口……

1万 · 2019-8-23 15:31

四轴飞行器侦察是当前军事领域重要的侦察手段之一，在瞬息万变的战场环境中往往能出其不意，获得及时准确的情报。同时，随着近年来脑一机接口技术的迅速发展，其应用热潮正向四轴飞行器侦察领域扩张。本文立足于该研究热点，设计实现一种基于意念控制的四轴飞行器侦察系统。

1万 · 2019-8-23 15:32

首先分析了四轴飞行器侦察系统的功能需求，结合脑电传感器和嵌入式技术，提出了基于意念控制的四轴飞行器侦察系统的整体结构及软硬件设计方案。该系统可配装班排级作战单位，通过识别士兵的意念，辅以头部动作和面部表情，产生控制四轴飞行器的飞行命令，同时将侦察信息以视频的形式实时下传至地面站显示，并据此刺激士兵产生新的后续飞行命令，进而完成侦察任务。针对飞行信息的无线传输，设计了以STM32F103C8处理器和A7139芯片为核心的数据传输模块，完成了基于该硬件的无线收发驱动程序，实现了地面站与四轴飞行器之间433MHz频率下的数据收发功能。依据系统功能需求设计了地面站软件，实现了士兵状态(脑意念、头部动作与面部表情)的识别及侦察视频的实时显示与回放等功能;结合数据库完成了飞行命令与士兵状态关系映射、系统各类信息的配置与存储，并制定了地面站软件与数据传输模块间的通信协议。为了满足战场应用的安全性需求，论文还研究了数据传输模块中信息的加解密方法，基于椭圆曲线密码算法的基本原理选取GF(2'吻域上的Koblitz曲线，确定了数据加解密电路FPGA实现的总体方案，给出了各关键模块电路的结构设计。同时，针对组合逻辑电路的演化设计，提出了一种基于混合修复策略的演化硬件算法，以实现电路的自修复功能;与其他同类算法性能的对比表明，该算法还能够有效地降低组合逻辑电路的设计时间和面积。经过系统整体方案设计及其软硬件设计与调试，现已完成了具备士兵状态识别、无线数据传输、控制模式自主配置、侦察视频地面站显示与回放等特点的四轴飞行器侦察系统原理样机，并在熠星大赛启动仪式上完成了飞行表演。

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高技术战争环境中，高效的情报侦察活动是军事部署与作战准备的重要基础，而对敌方敏
感目标进行高效的侦察与监视又是情报侦察活动中的关键。随着科技水平的发展，新的战场侦
察手段不断出现，为军事指挥人员提供了丰富的选择。近年来数次局部战争的经验已经证明，
利用四轴飞行器对目标进行侦察与监视是一种备受欢迎的高效侦察手段。

1万 · 2019-8-23 15:36

四轴飞行器是通过无线电遥控或者内部软件程序控制的无人驾驶飞机，而四轴飞行器侦察系统是无
人机领域一个重要的分支。与传统的有人飞机侦察方式相比，四轴飞行器侦察系统的优势主要从下
面两个角度体现:
m任务执行平台。作为四轴飞行器侦察系统的任务执行平台，四轴飞行器在设计时无需考虑弹射
救生、座舱等与飞行安全相关的因素，所以它比有人飞机体积更加小巧，隐蔽性更强，更易躲
避敌方雷达的搜索，深入战场，获得更加准确可靠的军事情报。
C2)人员安全。在四轴飞行器侦察系统使用的过程中，控制人员无需深入战场环境中心，降低
了其所处环境的危险程度，增加了战场人员的生存率。
20世纪60年代，四轴飞行器侦察系统首次在越南战争中得到成功应用，美军依靠该系统完成
了大量情报的收集工作，大大降低了作战人员的伤亡率。随后，在海湾战争、科索沃战争、阿
富汗战争一直到最近的利比亚战争中，四轴飞行器侦察系统均表现出了优秀的侦察能力[6][ 7][8][9]。
四轴飞行器侦察系统可分为:战略级大型四轴飞行器侦察系统、战争级中型无人侦察系统以及战斗
级微小型四轴飞行器侦察系统。其中，战斗级微小型四轴飞行器侦察系统配备班排级作战单位，由小型
四轴飞行器、地面站、手持终端、天线等组成，用于侦察陌生战场环境和周围敌军布防情况。微小
型四轴飞行器侦察系统示意图如图1.2所示。微小型四轴飞行器可通过单兵携带，配备微型侦察设备可
实现摄像及照相任务，通过地面站或者手持终端对其进行控制，拍摄图像以无线方式下传至地
面站[ion

1万 · 2019-8-23 15:36

1万 · 2019-8-23 15:38

BCI技术在医学领域的应用最为广泛，尤其是在康复医学方面。类似于脑瘫、运动神经元
病等疾病，患者大脑思考正常，但是无法控制身体肌肉将大脑意识表现出来，造成运动障碍。
BCI技术为有运动障碍的病人提供了一种与外界进行有效沟通的途径。奥地利Graz理工大学的
BCI科研团队基于事件相关同步/去同步电位实现了BCI系统的远程遥控功能，帮助病人通过手、
脚的运动想象来操控假肢的动作[0161。以B irbaumer为首的科研人员应用皮层慢波电位设计了一
个能够使用视觉反馈实现字母拼写功能的装置，为瘫痪病人创造了与外界交流的机会[fl}l。清华
大学以高上凯为首的BCI研究团队主要对稳态视觉诱发电位的特征及其提取方法进行了研究，
并基于研究成果设计了高速传输BCI系统[y s}，用于帮助具有运动障碍的病人进行动作控制。
除了医学领域的应用，BCI系统也正逐渐被应用到游戏娱乐领域。Neocomimi脑电波猫耳
朵由日本厂家Neurowear设计，是一款以女性和Cosplay爱好者为目标的智能脑波产品，只要
戴在头顶上，头上的脑电波传感器就会探测并自动分析佩戴者的脑电波，并随着佩戴者情绪的
起伏表现出不同的状态。玩具巨头美泰的产品MindFlex是目前最广为人知的民用脑电波耳机，
只要集中精力，耳机接收到佩戴者的脑电波，相应的感应器就会做出反应，让小球漂浮在空中，
并可以用意念控制它的高低(意念越集中，小球漂浮的越高)飞越各种小障碍。宏智力科技公
司的产品BrainLink是国内首个民用化的脑电穿戴设备，官方针对儿童脑力的提升和城市白领
的放松减压提供了20多款应用。
制造生物机器人是BCI技术的一项重要应用。浙江大学的BCI技术研究团队在老鼠的大脑
皮层植入电极，通过对大脑皮层不同部位的刺激控制老鼠的行走路径。这种受控的动物可以用
来执行侦察或者监视敌方行动的任务，还可以在地震倒塌的废墟中或者矿难现场搜索幸存者。

1万 · 2019-8-23 15:43

i-SURS S四轴飞行器侦察系统由美国海军陆战队装备，为营连级指挥官提供实时侦察信息，其
四轴飞行器由螺旋桨推进，装有一台摄像机，可分成五个部分便于携带。士兵使用一套包括计算机
处理器和地图显示器的可穿戴地面控制站对其控制，计算机处理器和地图显示器安装在士兵前
臂或防护衣上，通过点击地图显示器，告知四轴飞行器飞行的高度、目的地及返回时间。这个系统
使部队及时获得前方敌军的信息，包括规模、调动、装备和掩护等情况。
iSTAR四轴飞行器侦察系统是美军最新型的侦察系统之一[}zo}，采用涵道式风扇发动机，支持垂
直起落，既能够像直升机那样垂直起落，又能够倾转机体采用水平飞行模式。该系统非常适合
近距离侦察，在城市作战中，可以帮助作战小队侦察障碍物后面情况，避免小队成员被埋伏、
攻击。执行平台高0.7m翼展1.35m，续航时间为一个小时，最大速度高达190km/h o
目前，几乎所有的微小型四轴飞行器侦察系统采用的是预设侦察路线自主飞行和摇杆控制的方
式[}z y。预设侦察路线的方式虽然减少了人力需求，但是固定的侦察路线使得侦察成果较低，所
以该方式无法脱离摇杆的实时控制而存在。考虑到战场环境危机四伏，手动摇杆控制四轴飞行器侦
察系统会在一定程度上降低士兵的自我保护能力。
BCI技术在控制领域表现出的优势使越来越多的研究者注意到其发展潜力，美国明尼苏达
大学的研究团队已经研制了首款通过人脑控制运行的四轴飞行器，同时美国空军也已经开始了意念
控制蜂群四轴飞行器技术的研究，目前已经能够在实验室内实现单人对4架四轴飞行器的控制。立足于
该研究热点，本课题拟设计并实现一套单兵四轴飞行器侦察系统，利用人的脑电信号控制四轴飞行器进
行多个方向上的飞行，进而完成侦察任务。该侦察系统无需士兵双手控制，增强了士兵复杂战
场环境下的生存能力。

1万 · 2019-8-23 15:47

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1万 · 2019-8-23 15:51

针对单兵装备的电路安全，本文拟基于修复思想研究一种新的演化硬件算法，以实现电路的自修复功能，演化硬件并达到降低设计时间和电路面积的目的。CEvolvableHardware}EHW)是近年兴起的一种电路设计方式，指的是在演化算法(EvolutionaryElgorithm}EA)的控制下实现电路的自动化设计。EHW不关注电路的实际功能，只需明确电路的输入输出关系便可设计出与其相适应的电路结构，其最大的优点是能够实现电路的自动化设计，无需人为干预。但是，随着电路规模的扩大，染色体变长，设计时间增加，且采用EA设计组合逻辑电路时会发生停滞现象[}zs}，此时种群最优适应度值即便是很小的改善都需要花费大量的时间。

1万 · 2019-8-23 15:53

n)系统结构与总体设计首先，研究基于意念控制的四轴飞行器侦察系统的整体结构及软硬件方案。该系统是一套集Bc1技术、视频监控技术、四轴飞行器技术和硬件加解密技术于一体的单兵四轴飞行器侦察系统，由信号采集模块、数据传输模块、四轴飞行器、图像传输模块以及地面站构成。信号采集模块获取士兵的脑电信号、肌电信号以及头戴陀螺仪数据，并将其送入地面站，作为识别士兵状态的依据;数据传输模块实现四轴飞行器飞行命令和飞行状态信息的无线传输，并通过对无线数据加密保证信息安全;四轴飞行器作为空中平台执行飞行命令，并在飞行过程中完成目标区域侦察视频信息的拍摄;图像传输模块则将四轴飞行器所获取的侦察信息下传至地面站;地面站包括地面站软件和运行平台，地面站软件主要完成识别士兵的状态、产生并发布飞行命令、接受并实时显示侦察信息等功能，各类数据存放于数据库中。

1万 · 2019-8-23 15:54

C2)数据传输模块软硬件设计与实现针对系统中飞行命令和飞行状态信息的无线传输，将数据传输模块划分为地面端收发器和机载端收发器两部分。本课题拟以STM32F103C8处理器和A7139芯片为核心，完成控制电路和无线收发电路的原理图、PCB设计，制定无线通信协议并完成无线收发驱动程序的编写，实现支持数据无线传输的收发器。

1万 · 2019-8-23 15:55

(3)数据加解密电路设计为了满足复杂战场环境下的信息安全性需求，在数据传输模块中增加数据加解密电路，用于保证无线信息传输的安全。课题选择椭圆曲线密码算法完成数据加解密电路的功能，研究该密码算法的原理及其各运算部件的实现方式，完成数据加解密电路的整体设计、模块设计、有限域基本运算电路设计，并采用FPGA硬件实现各运算电路的功能。同时，提出一种新的组合逻辑电路演化设计算法，以实现电路自修复功能，并降低电路设计时间和面积。

1万 · 2019-8-23 15:55

C4)地面站软件设计实现与系统调试
地面站软件是系统士兵状态信息、侦察信息和飞行信息的集散、处理中心。结合系统各项
需求完成地面站软件的设计，实现地面站软件各个功能，包括士兵意念、头部动作和面部表情
识别、飞行命令的映射与发布、系统数据信息配置与管理、侦察视频实时显示与录制等，最后
完成系统的调试。

1万 · 2019-8-23 15:56

传统的单兵四轴飞行器侦察系统通过摇杆操控，但是在危机四伏的战场中，这种控制方式降低
了士兵的自我保护能力。为了解决此类问题，课题将BCI技术用于四轴飞行器侦察系统控制，目标
是设计一套能够使用士兵意念，辅以头部动作和面部表情，控制四轴飞行器飞行、拍摄侦察图像，
并将图像信息在地面站显示的侦察系统，该系统应该具有以下功能。