基于Arduino的多功能無(wú)人機(jī)搜救功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫正　朱學(xué)玲

【摘 要】本文是擬基于Arduino平臺(tái)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)，在無(wú)人機(jī)基本功能上進(jìn)行拓展與開(kāi)發(fā)，致力于將無(wú)人機(jī)作用更大化，更多應(yīng)用于實(shí)際生活，開(kāi)發(fā)功能包括驅(qū)鳥(niǎo)、信息傳輸、搜救以及高空作業(yè)。本文將主要介紹多功能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中的搜救功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分。該平臺(tái)開(kāi)發(fā)成本低、功能性強(qiáng)，對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)展及項(xiàng)目預(yù)研具有創(chuàng)新意義。

【關(guān)鍵詞】Arduino;無(wú)人機(jī);功能開(kāi)發(fā);搜救

中圖分類(lèi)號(hào)： V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.010

目前，我國(guó)的無(wú)人機(jī)的發(fā)展正處于快速發(fā)展時(shí)期，無(wú)人機(jī)在技術(shù)層面不斷提高，涉及的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，這些領(lǐng)域主要涉及到農(nóng)業(yè)、林業(yè)植物保護(hù)、電力檢查、石油管道安全問(wèn)題排查、物流快遞中、土地測(cè)繪上、氣象探測(cè)上、森林火災(zāi)預(yù)防、警方的巡邏、海洋遙感技術(shù)等，此類(lèi)無(wú)人機(jī)的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，但大多以PC機(jī)作為控制平臺(tái)，這不但大大限制了無(wú)人機(jī)的便捷使用而且對(duì)使用者要求高，需要一定的專(zhuān)業(yè)性。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)功能性單一，綜合應(yīng)用能力差并且價(jià)格昂貴，控制方面也比較不足，通道數(shù)少，綜合目前無(wú)人機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出了基于Arduino平臺(tái)的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 基于Arduino平臺(tái)開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)

Arduino可能大部分人不是很熟悉，它與C++、java等語(yǔ)言相比更加的簡(jiǎn)單、實(shí)用性能更高，具有豐富的接口，它沒(méi)有復(fù)雜的單片機(jī)底層代碼，讓使用者能夠更容易地去理解與應(yīng)用，也沒(méi)有難以理解的程序集，只是簡(jiǎn)單實(shí)用的功能。它不但有一個(gè)簡(jiǎn)單的編程環(huán)境IDE，可以很容易地使用，連Arduino相關(guān)的一些軟硬件都是完全開(kāi)源的，這更為我們的后續(xù)開(kāi)發(fā)提供了便利?；贏rduino開(kāi)發(fā)較之其他，能以較低成本開(kāi)發(fā)出普通Android系統(tǒng)手機(jī)即可操縱的航空模型，便捷、實(shí)用性強(qiáng)，且后期還能自行設(shè)計(jì)操控器模型，由于通道數(shù)多能輕松執(zhí)行后期各項(xiàng)拓展任務(wù)。

2 控制原理

2.1 飛行控制

在控制原理部分，身為無(wú)人機(jī)最為重要的莫過(guò)于飛行控制了，飛行控制主要分為地面控制和無(wú)人機(jī)空中接收端，兩個(gè)不同的部分互相配合，當(dāng)無(wú)人機(jī)空中接收端接收到來(lái)自于地面控制端的命令后開(kāi)始執(zhí)行。地面控制部分是從安卓控制端（如手機(jī)）獲取控制信號(hào)，即獲得不同的即時(shí)電壓（如前向和后向的控制），并獲得模式轉(zhuǎn)換后各個(gè)通道的值。得到的數(shù)值首先要經(jīng)過(guò)編碼轉(zhuǎn)換，再通過(guò)XBee-Pro900M這個(gè)無(wú)線收發(fā)模塊也就是我們常說(shuō)的藍(lán)牙模塊來(lái)進(jìn)行發(fā)送。

XBee-Pro900M收發(fā)模塊在接收到信號(hào)后，將其發(fā)送到Arduino主板，此時(shí)，主板進(jìn)行指令解析并將之轉(zhuǎn)換為飛控使用的PWM信號(hào)，飛控就可以控制無(wú)人機(jī)完成前進(jìn)、后退等飛行動(dòng)作。無(wú)人機(jī)主體流程圖如圖1所示：

2.2 通訊控制

在控制執(zhí)行部分，飛行器可以執(zhí)行空中拍攝，通過(guò)MAC視頻傳輸協(xié)議將視頻實(shí)時(shí)傳輸，該協(xié)議結(jié)合無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)密度小的特點(diǎn)，采用具有多個(gè)RTS周期、單個(gè)CTS周期和協(xié)調(diào)信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的特殊時(shí)隙結(jié)構(gòu)。同時(shí)還能夠?qū)?dāng)前環(huán)境的溫濕度等信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在操控平臺(tái)上。將視頻圖像、溫濕度信號(hào)傳輸回控制端，便于掌握無(wú)人機(jī)當(dāng)前飛行環(huán)境與操作需要的一些其他功能，如：在驅(qū)鳥(niǎo)時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)掌握機(jī)場(chǎng)或農(nóng)場(chǎng)鳥(niǎo)類(lèi)情況;在擦拭高樓外墻體玻璃時(shí)，實(shí)時(shí)掌握無(wú)人機(jī)工作環(huán)境及擦拭情況等。

2.3 搜救控制

每年我國(guó)都會(huì)因自然災(zāi)害導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人口傷亡，而大部分傷亡都是因?yàn)榫仍患皶r(shí)導(dǎo)致的。人工搜索速度慢、安全性低，還可能造成二次傷亡。而無(wú)人機(jī)搜救則完全沒(méi)有這方面的缺陷，搜索速度快、沒(méi)有二次踩踏，體積小，搜索范圍廣、深度較人工更深入。

2.3.1 工作原理

搜救功能應(yīng)用人體紅外傳感模塊，它通過(guò)熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生特定信號(hào)進(jìn)行工作。

當(dāng)一些晶體受到外部熱量時(shí)，晶體上會(huì)產(chǎn)生相同數(shù)量的相反電荷。這類(lèi)由于受到外部熱量變化而引起的電荷產(chǎn)生現(xiàn)象也就是電極化就被我們稱(chēng)之為熱釋電效應(yīng)。人體紅外傳感器上的半球形蓋子叫做菲涅耳透鏡，它是根據(jù)菲涅耳原理制成的，菲涅耳透鏡的作用類(lèi)型分為兩種：折射型和反射型，它的第一種類(lèi)型是通過(guò)將熱釋后的紅外信號(hào)折射（反射）在人體紅外傳感器PIR（Passive InfraRed）模塊上稱(chēng)之為聚焦作用;第二種類(lèi)型就是將檢測(cè)的區(qū)域化分為了很多個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，這就使得當(dāng)有移動(dòng)中的物體在進(jìn)入到檢測(cè)區(qū)域中，在通過(guò)明區(qū)和暗區(qū)的過(guò)程中就會(huì)以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生相應(yīng)變化的熱釋紅外信號(hào)。這樣一來(lái)PIR就能產(chǎn)生相應(yīng)變化的電信號(hào)，進(jìn)而提高了靈敏度。

無(wú)人機(jī)搜救通過(guò)PIR模塊進(jìn)行探測(cè)受災(zāi)群眾的大致位置。我們都知道每個(gè)人的體溫基本都保持在37度左右，但也會(huì)發(fā)射出我們?nèi)搜蹮o(wú)法觀測(cè)到的10UM左右特定波長(zhǎng)的紅外線，這時(shí)紅外探測(cè)器就是通過(guò)檢測(cè)這些紅外線來(lái)進(jìn)行工作的。菲泥爾濾光片就像一個(gè)放大鏡一樣增強(qiáng)了我們體內(nèi)發(fā)射出的紅外線信號(hào)，并使其聚集在了紅外傳感器上。紅外傳感源通常使用的都是熱電元件，當(dāng)它們接收到人體紅外輻射溫度的變化時(shí)會(huì)失去電荷平衡，電荷被檢測(cè)到以后通過(guò)一系列的處理產(chǎn)生提示信號(hào)。

在特定場(chǎng)合需要執(zhí)行搜救任務(wù)時(shí)，由地面控制端發(fā)出信號(hào)，指定搜救模塊即人體紅外探測(cè)，再經(jīng)由無(wú)人機(jī)端Arduino主板進(jìn)行指令解析，給人體紅外探測(cè)模塊發(fā)出指令并開(kāi)始工作，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，將該信號(hào)記錄并返回給地面控制端，地面控制端收到信息警報(bào)器報(bào)警，并將信號(hào)顯示在控制器上如安卓手機(jī)控制器顯示屏。

2.3.2 模塊特性

PIR模塊也就是人體紅外傳感器（圖2）主要是用來(lái)檢測(cè)人體發(fā)出的輻射紅外線。因此，這些充當(dāng)紅外探測(cè)模塊傳感源的熱電元件就必須對(duì)波長(zhǎng)約為10MU的紅外輻射非常敏感才行。然而又為了僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在其輻射表面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，從而才能顯著地降低環(huán)境的干擾。被動(dòng)紅外探頭內(nèi)包含的熱電元件是兩個(gè)通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式連接。環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生的影響被相互抵消，因?yàn)樗鼈兌籍a(chǎn)生作用，最為重要的是電極化方向完全相反。當(dāng)有人出現(xiàn)在探測(cè)區(qū)域，人體發(fā)出的紅外輻射由于作用在模塊上的熱量不同，所以產(chǎn)生的熱釋電也不同不能被抵消，通過(guò)檢測(cè)發(fā)出提示信號(hào)。根據(jù)菲泥爾濾光片的性能不同，所帶來(lái)的焦距也是不完全相同的，這就是所謂的感應(yīng)距離了，才近而產(chǎn)生不同的監(jiān)測(cè)視場(chǎng)，視場(chǎng)越多的話(huà)，也就越是嚴(yán)密。

2.3.3 實(shí)現(xiàn)方法

人體紅外模塊有三個(gè)引腳，分別為VCC、GND、OUT，OUT接在飛行模塊自定義的I/O引腳上，探測(cè)信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸回控制端，控制端可自行定義音頻或聲光用來(lái)接收傳輸回的高低電平信號(hào)，用來(lái)接收檢測(cè)。

2.3.4 應(yīng)用場(chǎng)景

多功能無(wú)人機(jī)的搜救功能，由于人體紅外感應(yīng)模塊的局限性，應(yīng)在災(zāi)害（如：地震）發(fā)生不久便應(yīng)投入使用，因?yàn)樵撃K只能檢測(cè)活動(dòng)的人體信號(hào)，災(zāi)害發(fā)生時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能受災(zāi)群眾會(huì)導(dǎo)致昏迷或因體力消耗過(guò)大無(wú)力發(fā)出求救信號(hào)。

2.3.5 人體紅外感應(yīng)具體代碼

int Sensor_pin = 2;

int Buzzer_pin = 3;

void Alarm（） //蜂鳴器發(fā)出警報(bào)

{

for（int i=0;i<100;i++）

{

digitalWrite（Buzzer_pin，HIGH）; //將變量值置高，發(fā)聲音

delay（2）;

digitalWrite（Buzzer_pin，LOW）; //將變量值置低，不發(fā)聲音

delay（2）; //修改延時(shí)時(shí)間，改變發(fā)聲頻率

}

}

void setup（）

{

pinMode（Sensor_pin，INPUT）;

pinMode（Buzzer_pin，OUTPUT）;

}

void loop（）

{

int people_pin=digitalRead（Sensor_pin）; //定義參數(shù)用來(lái)表示人體紅外傳感器檢測(cè)到的狀態(tài)

if（people_pin== 1） //如果檢測(cè)到有動(dòng)物運(yùn)動(dòng)（在檢測(cè)范圍內(nèi)），蜂鳴器發(fā)出警報(bào)

{

Alarm（）;

}

else { return; }

delay（100）; //延時(shí)100毫秒

}

3 擬解決問(wèn)題

指令傳輸及時(shí)——由于無(wú)人機(jī)運(yùn)用的是無(wú)線傳輸模式，及時(shí)響應(yīng)就顯得尤為重要，我們的飛機(jī)將使用一對(duì)功率為250mW的XBee-Pro900M無(wú)線收發(fā)器模塊。它們用于連接地面控制板MCU和連接到飛行控制的MCU。配備了原裝天線，最遠(yuǎn)的鏈路范圍可以達(dá)到近乎10KM，這與傳統(tǒng)遙控器相比，控制距離得到了非常大的提高。

失控保護(hù)——普通的飛行器，在遭遇一些突發(fā)情況時(shí)，可能導(dǎo)致無(wú)法飛行，墜機(jī)等情形，可以通過(guò)增加一個(gè)失控檢測(cè)設(shè)備來(lái)避免這種情況的發(fā)生，在Arduino芯片中增加一個(gè)定時(shí)器中斷，設(shè)置好間隔時(shí)間，檢測(cè)在間隔時(shí)間內(nèi)有沒(méi)有收到相應(yīng)指令，正常情況下設(shè)置的時(shí)間一般為1秒，因?yàn)轱w行器在一秒內(nèi)可以接收50條指令，如果一秒內(nèi)沒(méi)有接收到指令，完全可以判斷無(wú)人機(jī)進(jìn)入失控狀態(tài)，此時(shí)將無(wú)人機(jī)設(shè)置為空中懸停狀態(tài)，原地等待，如果經(jīng)過(guò)20秒之后沒(méi)有收到地面控制系統(tǒng)的指令，則開(kāi)啟自動(dòng)返航模式。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王曉偉，李偉，王琦.小型無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥(niǎo)工作中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（11）：278.

[2]丁劍橋，蔣美其，彭華洲.驅(qū)鳥(niǎo)草技術(shù)在機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（35）：240-241.

[3]翟代廷.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018（17）：279+281.

[4]毛勇忠，徐剛，丁晨.消防無(wú)人機(jī)的應(yīng)用助力消防滅火救援工作[J].中國(guó)管理信息化，2018（23）：176-178.