搜救飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)

古智鋒 陳娟 鐘巧紅

【摘要】自然災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，現(xiàn)代搜救中，由于搜救環(huán)境的地面限制，很多地面搜救裝置都難以進(jìn)入搜救地點(diǎn)，并且受到殘檐斷壁的阻礙，搜救路線常常寸步難行，在探測過程中容易造成2次傷害，本設(shè)計采用的搜救裝置是四軸飛行器，該飛行器體積小，適合在復(fù)雜又狹小的環(huán)境下飛行，通過飛行器上的傳感器對搜救地點(diǎn)進(jìn)行生命檢測，將疑似有生命存在的地點(diǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行處理。分析表明，這種搜尋方式具有準(zhǔn)確性、高效性的特點(diǎn)，適合城市地震受災(zāi)地點(diǎn)使用。

【關(guān)鍵詞】飛行器 搜救 生命檢測 任務(wù)指派

【中圖分類號】TP391.41；TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）35-0296-01

一、飛行器設(shè)計

1.飛行器模型設(shè)計

本文飛行器模型采用四軸驅(qū)動設(shè)計，通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得飛行器各個部位獲得不同的升力，如圖1所示，Mt代表飛行器的螺旋槳，為了達(dá)到動平衡狀態(tài)，相鄰的螺旋槳轉(zhuǎn)向相反，使得飛行器受到的扭矩方向之間可以互相抵消。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面要求材料質(zhì)地均勻，保證其對稱性和穩(wěn)定性，在進(jìn)行模塊安裝時也要保證飛行器的平衡，讓各個模塊均勻的安放在飛行器的不同部位，重心控制在飛行器下方。

二、硬件控制部分及程序設(shè)計

1.整體設(shè)計

該項目主要由STM32主控芯片、無線信號檢測模塊、異型傳感器組成的空氣質(zhì)量檢測模塊、無線收發(fā)器模塊、基于STC51單片機(jī)制作的飛行器遙控板等組成。主控芯片對各個模塊信息進(jìn)行收集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器；無線信號檢測模塊用于檢測手機(jī)等電子設(shè)備發(fā)出的無線信號，將發(fā)出無線信號的位置進(jìn)行記錄；異形傳感器用于收集空氣中的氣體成分，檢測空氣中是否存在有害氣體；無線收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)方面的傳輸，將收集到的信息發(fā)送到服務(wù)器；飛行器遙控板主要用于給飛行器下達(dá)指令，令飛行器可以按照設(shè)定的路線進(jìn)行搜索或改變搜尋狀態(tài)。

2.程序的組成框圖及功能

系統(tǒng)程序采用模塊化的程序設(shè)計方法，主要由姿態(tài)控制子程序、無線收發(fā)子程序、異形傳感器融合算法子程序組成。姿態(tài)控制子程序主要實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)控制，控制飛行器進(jìn)行前進(jìn)后退，左右移動；無線收發(fā)子程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能，可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時回傳至服務(wù)器；異形傳感器融合算法主要是收集飛行器上不同傳感器的信息，將多個傳感器的信息收集起來，得出空氣質(zhì)量報告，對飛行路線進(jìn)行規(guī)劃，控制搜尋高度。

3.程序流程圖

搜救飛行器的無人控制和智能判斷是本設(shè)計的亮點(diǎn)所在，通過對多個傳感器的數(shù)據(jù)采集，在飛行器啟動時，系統(tǒng)將對其進(jìn)行功能檢測，確保硬件設(shè)備正常，而后可以導(dǎo)入預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)，如搜尋的目的地的坐標(biāo)，接著飛行器將會以時間片輪詢[1]的方式對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，在進(jìn)行程序設(shè)計時，先根據(jù)具體需要，設(shè)計出一個合理的時間片（大概20ms），在規(guī)定的時間片 內(nèi)，將系統(tǒng)的所有模塊運(yùn)行一遍，每個功能模塊都設(shè)置成彼此獨(dú)立的子程序，在每個功能模塊的開始處都設(shè)置了一個標(biāo)志位，進(jìn)入功能模塊后，首先根據(jù)標(biāo)志位判斷是否執(zhí)行該子程序，如滿足要求則執(zhí)行，否則，進(jìn)入下一個功能模塊，如果某些功能模塊涉及到延時，不再像傳統(tǒng)的編程思想那樣進(jìn)行延時等待，而是以時間片設(shè)置的時間為基準(zhǔn)，在某些功能模塊延時期間，繼續(xù)執(zhí)行其他模塊的功能，這樣系統(tǒng)執(zhí)行 完一遍所有功能模塊需用一個時間片的時間，如果時間片的時間足夠短，在程序的執(zhí)行過程中，就相當(dāng)于所有的功能模塊同時工作一樣，從而滿足多任務(wù)實時要求。

三、系統(tǒng)功能測試

主要測試自動飛行在各種環(huán)境下的運(yùn)行狀況，測試傳感器的感知是否達(dá)到預(yù)期，各個傳感器的運(yùn)行狀況。

通過分析表1，可以得出，飛行器在一般障礙物下已經(jīng)能夠自主飛行，雖然繞行存在誤差，但后期可以通過北斗進(jìn)行重新定位。

通過分析表2的數(shù)據(jù)，可以看出飛行器已經(jīng)能夠通過傳感器檢測到人體，并且能觸發(fā)拍照功能，實現(xiàn)了飛行器的自主搜索功能，為后期縮小搜尋范圍提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語

本文基于STM32F407主控，利用傳感器數(shù)據(jù)采集結(jié)合攝像頭方式實現(xiàn)了無人機(jī)在災(zāi)害現(xiàn)場的自主搜救功能，并且通過氣體傳感器、數(shù)字信號檢測的方式為搜救現(xiàn)場提供了數(shù)據(jù)支持。實現(xiàn)了飛行器在救援時路線規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)可能有人員被困的地點(diǎn)時自動拍照并且上傳GPS坐標(biāo)，能夠采集現(xiàn)場的環(huán)境狀況數(shù)據(jù)，為救援人員的人身安全提供了保障，同時也能為救援提前做好更充分的準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曾敬.電腦學(xué)習(xí)[J].《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司.四川：西華師范大學(xué)，2010.

[2] 黃智偉.無線數(shù)字收發(fā)電路設(shè)計—電路原理與應(yīng)用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3] 劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究和設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)， 2009.

[4] 陳海濱，殳國華. 四旋翼飛行器的設(shè)計. 實驗室研究與探索[J].上海： 上海交通大學(xué)，2013.

作者簡介：

古智鋒（1989—），男，助理實驗師，本科，研究方向為系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)據(jù)分析。