搜救飛行器的設計與實現

古智鋒 陳娟 鐘巧紅

【摘要】自然災害頻繁出現，現代搜救中，由于搜救環境的地面限制，很多地面搜救裝置都難以進入搜救地點，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，適合在復雜又狹小的環境下飛行，通過飛行器上的傳感器對搜救地點進行生命檢測，將疑似有生命存在的地點數據通過網絡發送到服務器進行處理。分析表明，這種搜尋方式具有準確性、高效性的特點，適合城市地震受災地點使用。

【關鍵詞】飛行器 搜救 生命檢測 任務指派

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

一、飛行器設計

1.飛行器模型設計

本文飛行器模型采用四軸驅動設計，通過調節四個電機的轉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，為了達到動平衡狀態，相鄰的螺旋槳轉向相反，使得飛行器受到的扭矩方向之間可以互相抵消。

2.機械結構設計

飛行器在結構設計方面要求材料質地均勻，保證其對稱性和穩定性，在進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計

1.整體設計

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量檢測模塊、無線收發器模塊、基于STC51單片機制作的飛行器遙控板等組成。主控芯片對各個模塊信息進行收集，并將數據發送至服務器；無線信號檢測模塊用于檢測手機等電子設備發出的無線信號，將發出無線信號的位置進行記錄；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；無線收發模塊完成數據方面的傳輸，將收集到的信息發送到服務器；飛行器遙控板主要用于給飛行器下達指令，令飛行器可以按照設定的路線進行搜索或改變搜尋狀態。

2.程序的組成框圖及功能

系統程序采用模塊化的程序設計方法，主要由姿態控制子程序、無線收發子程序、異形傳感器融合算法子程序組成。姿態控制子程序主要實現飛行器的姿態控制，控制飛行器進行前進后退，左右移動；無線收發子程序主要實現數據的傳輸功能，可以將現場數據實時回傳至服務器；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，得出空氣質量報告，對飛行路線進行規劃，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計的亮點所在，通過對多個傳感器的數據采集，在飛行器啟動時，系統將對其進行功能檢測，確保硬件設備正常，而后可以導入預先設置好的參數，如搜尋的目的地的坐標，接著飛行器將會以時間片輪詢[1]的方式對系統任務進行調度，在進行程序設計時，先根據具體需要，設計出一個合理的時間片（大概20ms），在規定的時間片 內，將系統的所有模塊運行一遍，每個功能模塊都設置成彼此獨立的子程序，在每個功能模塊的開始處都設置了一個標志位，進入功能模塊后，首先根據標志位判斷是否執行該子程序，如滿足要求則執行，否則，進入下一個功能模塊，如果某些功能模塊涉及到延時，不再像傳統的編程思想那樣進行延時等待，而是以時間片設置的時間為基準，在某些功能模塊延時期間，繼續執行其他模塊的功能，這樣系統執行 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，在程序的執行過程中，就相當于所有的功能模塊同時工作一樣，從而滿足多任務實時要求。

三、系統功能測試

主要測試自動飛行在各種環境下的運行狀況，測試傳感器的感知是否達到預期，各個傳感器的運行狀況。

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

通過分析表2的數據，可以看出飛行器已經能夠通過傳感器檢測到人體，并且能觸發拍照功能，實現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據。

四、結語

本文基于STM32F407主控，利用傳感器數據采集結合攝像頭方式實現了無人機在災害現場的自主搜救功能，并且通過氣體傳感器、數字信號檢測的方式為搜救現場提供了數據支持。實現了飛行器在救援時路線規劃，發現可能有人員被困的地點時自動拍照并且上傳GPS坐標，能夠采集現場的環境狀況數據，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備。

參考文獻：

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

[2] 黃智偉.無線數字收發電路設計—電路原理與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3] 劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統研究和設計[D].上海：上海交通大學， 2009.

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

作者簡介：

古智鋒（1989—），男，助理實驗師，本科，研究方向為系統設計與數據分析。