無人機智能氣囊設計

李沁程，張熙，蘇子欽，許浩

（中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307）

0 引言

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機已廣泛運用于生活的各種場合，然而通過對無人機的調(diào)查研究后[1]發(fā)現(xiàn)無人機在地形復雜的區(qū)域飛行或者水面飛行時，由于無法準確知悉無人機的飛行狀況再加之復雜的環(huán)境經(jīng)常會導致無人機的墜毀。在無人機墜毀之后人們很難找到機體殘骸，難以實現(xiàn)回收利用。因為在陌生的領域僅憑借無人機最終墜毀的地理信息去尋找十分不便利，尤其當無人機掉落到水里，尋找將變得更為困難。經(jīng)調(diào)查，低空無人機是目前市面上較常用的無人機種類，故選用低空無人機作為智能氣囊系統(tǒng)的試驗機。低空無人機的正常巡航高度在100m～1000m之間，無人機的最低安全飛行高度為1.2m，低于1.2m時無人機將自動由巡航模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻德淠Ｊ?。這使得無人機在近水面飛行時極易轉(zhuǎn)變?yōu)榻德淠Ｊ匠寥胨?。所以本項目計劃設計出一款適合無人機使用的救生氣囊及報警通信系統(tǒng)，在發(fā)生意外情況時能及時反饋給操作者信號，以便于在無人機發(fā)生墜毀前能夠及時彈出氣囊，若無人機沉入水底也可利用救生氣囊使無人機浮出水面，同時反饋聲光報警，配合反光材料的使用使無人機更容易被發(fā)現(xiàn)，降低搜尋難度。

無人機的救生氣囊設計由內(nèi)部的控制芯片作為核心，采用傳感器對無人機飛行狀態(tài)進行實時監(jiān)測并將采集到的信號傳輸給主控制器來決定是否進行釋放氣囊操作。救生氣囊的設計制造成本相對低廉，可在日常生活中得到廣泛推廣應用，減少由于墜機產(chǎn)生的損失。

1 系統(tǒng)整體功能設計

由于適用于無人機的救生氣囊需滿足體積小、承載能力足夠以及充氣快速等問題，以確保氣囊系統(tǒng)不會對無人機的飛行安全性造成影響，在滿足便捷性、安全性的同時不影響無人機的飛行平穩(wěn)性且能在緊急狀態(tài)下快速釋放氣囊。無人機的智能救生氣囊設計在加裝氣囊的同時需滿足報警和通信功能，可以使無人機在執(zhí)行特定任務時更加安全。例如，在進行近水面飛行時，由于無人機有自動測距功能在距離水面過近的地方會自動切換到著陸模式，而操作員無法在很短的時間內(nèi)去改變無人機的飛行狀態(tài)，這就造成了無人機的墜毀，此時只能通過無人機提供的落水位置信息來搜尋無人機，這大大增加了搜尋難度。如果無人機上裝配有救生氣囊及報警通信系統(tǒng)，在發(fā)生緊急情況時無人機的搜尋難度會顯著下降，同時也降低了后續(xù)的維修費用。

無人機救生氣囊系統(tǒng)與操作者之間的通訊是本系統(tǒng)的核心部分，需要滿足快速通訊且通訊距離長等特點，本系統(tǒng)采用NB-IOT模塊實現(xiàn)操作者對救生氣囊系統(tǒng)的遠程控制，可實現(xiàn)信息的采集傳輸并發(fā)送釋放指令等功能。

當測距模塊檢測到無人機當前飛行狀態(tài)距離地面過低時，通過NB-IOT模塊的網(wǎng)絡傳輸功能將信號發(fā)送到操作者手機，操作者可發(fā)送信號到無人機氣囊系統(tǒng)控制氣囊是否釋放，從而起到對無人機的保護功能。

當無人機遇到緊急狀況墜入水底時，釋放的救生氣囊可將無人機拖出水面，并且氣囊需要在極短時間內(nèi)完成充氣，從而對無人機起到保護作用。

2 硬件設計

救生氣囊的硬件總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括STM32F103C8T6單片機控制模塊、晶振電路模塊、電源與復位電路模塊、NB-IOT通訊模塊以及緊急報警模塊[2]。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2.1 單片機控制模塊

采用的STM32F103C8T6芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制處理器，程序存儲器容量位64KB，工作電壓為2V-3.6V，可滿足本系統(tǒng)設計的控制要求，并且價格低廉，設計簡便[3-4]?？赏ㄟ^該微處理器實現(xiàn)測距、收發(fā)信號、釋放氣囊等功能，它是整個系統(tǒng)的核心組成部分。在設計中，緊急報警模塊是否啟動就是通過改變單片機的輸出電壓來實現(xiàn)的。單片機設計電路原理圖如圖2所示。

圖2 單片機設計電路原理圖

2.2 晶振電路模塊

氣囊系統(tǒng)所采用的外界晶振電路可為單片機提供穩(wěn)定的時鐘脈沖，不易受到外界干擾。設置系統(tǒng)所要求的時鐘頻率，對于整個系統(tǒng)來說起著事關重要的作用。救生氣囊系統(tǒng)每一項功能的實現(xiàn)都離不開晶振電路提供的時鐘節(jié)拍，晶振提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越塊。

在本系統(tǒng)中晶振電路采用STM32單片機內(nèi)嵌有8MHz振蕩器，晶振電路也采用外接8MHz晶振，采用皮爾斯振蕩器配置，用于機械式諧振器件，可良好適配氣囊系統(tǒng)的要求。

2.3 電源與復位電路模塊

通過選用鋰電池實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體供電，系統(tǒng)供電電路如圖3所示，鋰電池具有電壓穩(wěn)定、低能放電、防爆設計以及循環(huán)充電等優(yōu)點。鋰電池可提供穩(wěn)定的供電，采用低自放電技術(shù)減少電量自然流失，內(nèi)置智能IC芯片可做到安全防爆。

圖3 供電電路

復位電路可實現(xiàn)系統(tǒng)的復位歸零，按下按鈕時系統(tǒng)可由任意狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，即NB-IOT模塊重新開始接收單片機信號，開始新指令的收發(fā)。復位電路采用3.3V電壓供電，利用電容電壓不能突變的原理，使得系統(tǒng)上電時提供的復位脈沖不斷給電容供電，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動初始化。同時也可通過按鍵提供一個反向電平實現(xiàn)系統(tǒng)手動復位。

2.4 NB-IOT通訊模塊

NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的縮寫，適用于多種場合，可結(jié)合GMS網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊傳遞等功能。本系統(tǒng)中主要利用NB-IOT結(jié)合GMS網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)的原距離通訊，其優(yōu)勢在于工作能耗低、待機時間長、網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、低成本且可實現(xiàn)高效連接。

本系統(tǒng)所采用的NB-IOT型號為WH-NB75-BA,采用插針式封裝，自帶SIM卡槽，便于嵌入開發(fā)；與GPRS、4G模塊硬件封裝兼容，減少更換成本；支持6路指令傳輸以及CoAP通訊模式[5]；可實現(xiàn)自定義編程，傳輸速度快，發(fā)送數(shù)據(jù)時會不斷檢測相鄰2個字節(jié)的間隔時間，時間閾值設置為100ms，若時間間隔大于等于時間閾值時則認為一幀結(jié)束。NB-IOT通訊模塊電路如圖4所示。

圖4 NB-IOT 通訊模塊電路

2.5 緊急報警模塊

在緊急報警模塊中主要包括氣囊釋放以及聲光報警。當無人機處于緊急情況下，操作者可通過通訊模塊傳輸回的信息及時判斷是否需要釋放氣囊，若釋放氣囊信號發(fā)出，此時單片機的39號端口輸出高電平，電磁推桿裝置啟動，利用電磁鐵中動鐵芯與靜鐵芯的吸合實現(xiàn)推桿直線運動，將安全氣囊的開關吸出，實現(xiàn)氣囊的快速釋放。氣囊釋放模塊控制電路如圖5所示。

圖5 氣囊釋放控制電路

當救生氣囊成功釋放之后，聲光報警電路自動開始工作。單片機的38號端口連接的聲光報警裝置，由電阻、三極管、電容、LED管以及蜂鳴器等組成。

救生氣囊系統(tǒng)采用獨立供電，不會因為無人機墜機導致斷電無法提供位置信息而難于尋找的情況發(fā)生。即使無人機墜落斷電，救生氣囊系統(tǒng)仍可正常運行，通過NB-IOT模塊發(fā)送無人機的實時位置信息，并通過蜂鳴器和LED燈光使得無人機墜落位置更加便于尋找，降低搜索難度。

3 軟件設計

無人機智能救生氣囊的程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)的運行模塊主要包括NB-IOT信號傳輸模塊以及警告報警模塊。其功能選擇是依據(jù)具體情況而定，正常飛行狀態(tài)下，傳感器測距及NB-IOT模塊持續(xù)工作，將無人機信息傳輸給操作者，當操作者意識到無人機可能處于危險狀態(tài)可自主選擇是否按下按鈕實現(xiàn)氣囊釋放。若釋放氣囊，此時系統(tǒng)進入緊急報警狀態(tài)，氣囊釋放并伴隨有聲光報警。

圖6 程序流程圖

在軟件設計過程中先對系統(tǒng)進行可行性分析，設定測距傳感器發(fā)出提示信號的合適距離，設定NB-IOT通訊模塊在測量距離小于安全距離時向操作者發(fā)出報警信號發(fā)出的時機。

NB-IOT通訊模塊使用UDP協(xié)議，在通訊模塊運行過程中操作者不需要關注串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，只需通過簡單的參數(shù)設置即可實現(xiàn)操作者與無人機間的遠距離數(shù)據(jù)傳輸。NB-IOT模塊提供兩路socket連接，在通訊過程中模塊上電便實現(xiàn)自動駐網(wǎng)，通過GMS網(wǎng)絡實現(xiàn)快速的信號傳輸。

4 結(jié)語

無人機智能救生氣囊系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)信息的快速傳輸，設計的系統(tǒng)可穩(wěn)定高效地完成指定功能，對無人機起到一定的保護作用。該系統(tǒng)是一個可靈活安裝于無人機上的獨立保護裝置，在不影響無人機正常工作的情況下對無人機進行保護，可減少無人機墜機危險，降低維修成本。