基于STM32的微型四軸救援機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張宏偉 錢葉冊(cè) 許衛(wèi)兵

摘? 要：本文設(shè)計(jì)的救援機(jī)采用STM32作為主控芯片，以四軸無(wú)人機(jī)為載體，利用無(wú)線模塊進(jìn)行控制，人體生命檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，GPS模塊進(jìn)行定位，以實(shí)現(xiàn)救援的目的。利用四軸無(wú)人機(jī)搭載的人體檢測(cè)模塊對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到受災(zāi)人員時(shí)，該模塊會(huì)發(fā)送信號(hào)到主控芯片，然后主控芯片會(huì)將受災(zāi)人員的位置及時(shí)反饋給救援人員，那么在救援人員到達(dá)搜救地點(diǎn)之前，就可以利用無(wú)線對(duì)話模塊對(duì)被困人員進(jìn)行心理安慰及疏導(dǎo)，從而大大提高了救援的工作效率。

關(guān)鍵詞：STM32;四軸無(wú)人機(jī);人體生命檢測(cè);GPS定位

中圖分類號(hào)：V249.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）01-0158-02

Design and Implementation of Micro Four-axis Rescue Machine Based on STM32

ZHANG Hongwei，QIAN Yece，XU Weibing

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Chizhou University，Chizhou? 247000，China）

Abstract：The rescue aircraft designed in this paper uses STM32 as the main control chip，four-axis UAV as the carrier，uses wireless module to control，human life detection module to detect，and GPS module to locate，in order to achieve the purpose of rescue. The human body detection module carried by four-axis UAV is used to detect a certain area. When the disaster victims are detected，the module will send signals to the main control chip，and then the main control chip will feedback the location of the disaster victims to the rescuers in time. Then the wireless pair can be used before the rescuers arrive at the search and rescue site. The speech module can comfort and guide the trapped personnel，thus greatly improving the efficiency of rescue work.

Keywords：STM32;four axis UAV（unmanned aerial vehicle）;human life detection;GPS location

1? 概述

地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后，在廢墟中搜尋幸存者，給予必要的醫(yī)療救助，并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，超過(guò)48小時(shí)后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來(lái)越低。由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展救援工作的，此外，廢墟中形成的狹小空間使施救人員甚至搜救犬難以進(jìn)入，從而大大延長(zhǎng)了救援時(shí)間。四軸救援機(jī)可以很好地解決上述問(wèn)題。四軸救援機(jī)可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋找幸存者，進(jìn)入救援人員無(wú)法進(jìn)入的現(xiàn)場(chǎng)搜集有關(guān)信息并及時(shí)反饋給救援指揮中心，以便救援中心能做出最合理有效的救援方式，對(duì)被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù)。

四軸救援機(jī)是一種能夠垂直起降、多旋翼式的飛行器，其通過(guò)自帶的電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。因其具有靈活性高、所需飛行空間小、能源利用率高、隱蔽性強(qiáng)以及安全性能高等優(yōu)勢(shì)，特別適合在近地面環(huán)境（如室內(nèi)、城區(qū)和叢林等）中執(zhí)行監(jiān)視、偵查任務(wù)，其在軍事（電子戰(zhàn)）和民用（通信、氣象、災(zāi)害監(jiān)測(cè)）方面都有很大的應(yīng)用前景。另外，新穎的外形、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本、卓越的性能及獨(dú)特的飛行控制方式（通過(guò)控制四只旋翼的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行控制）使其對(duì)廣大科研人員具有很強(qiáng)的吸引力，成為國(guó)際新的研究熱點(diǎn)。

基于STM32的微型四軸救援機(jī)的有效實(shí)施會(huì)增加地震被困者的生存幾率，降低地震災(zāi)難帶來(lái)的人員傷亡數(shù)量。作為不可抗因素，地震對(duì)人類的危害不容小覷，其一旦發(fā)生就有可能造成不計(jì)其數(shù)的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，但限于人類技術(shù)原因，通過(guò)震前預(yù)測(cè)來(lái)減少地震損失的方法還不是很現(xiàn)實(shí)，因此我們只能通過(guò)震后救援工作來(lái)減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。而本文的基于STM32的微型四軸救援機(jī)就是針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)的。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，其可以快速有效地解救被困人員，把地震對(duì)人類生命安全的威脅降到最低，筆者對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)以期在最大程度上，高效率地支援地震救災(zāi)工作，為國(guó)家貢獻(xiàn)一份自己的力量。

2? 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的微型四軸救援機(jī)系統(tǒng)框架如圖1所示，根據(jù)功能，可以將整個(gè)系統(tǒng)分為主控芯片，人體生命檢測(cè)系統(tǒng)，飛行器控制系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)，定位系統(tǒng)，無(wú)線圖傳以及無(wú)線通話等八大部分。STM32芯片是主控芯片;人體生命檢測(cè)系統(tǒng)是該設(shè)計(jì)的核心部分，用來(lái)檢測(cè)被困人員的生命特征信息;飛行器控制系統(tǒng)對(duì)四軸飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行控制及調(diào)整;攝像系統(tǒng)可以對(duì)受災(zāi)地區(qū)的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行拍攝，然后通過(guò)無(wú)線圖傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳到救災(zāi)指揮部;報(bào)警系統(tǒng)可以在人體生命檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到受災(zāi)人員的生命體征時(shí)而報(bào)警的;定位系統(tǒng)可以將發(fā)現(xiàn)的被困人員地理位置及時(shí)地發(fā)送給指揮部，以便于其及時(shí)實(shí)施救援;無(wú)線通話的功能是在救援人員到達(dá)被困人員的被困地點(diǎn)之前，為指揮部對(duì)被困人員進(jìn)行安慰以及心理疏導(dǎo)提供溝通渠道。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

四軸救援機(jī)的硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)主控芯片、電源模塊、晶振電路、傳感器接口及無(wú)線控制電路等各部分的設(shè)計(jì)。

主控芯片為STM32單片機(jī)，其外圍有晶振電路和復(fù)位電路。晶振電路采用電容-考畢茲交流等效震蕩電路，即通過(guò)兩端增加電容組成分立RC振蕩器，由兩個(gè)22P的電容和8HZ的晶振構(gòu)成的電路，為單片機(jī)提供時(shí)間周期。復(fù)位電路由電阻、電容、二極管和開關(guān)按鍵等電子器件構(gòu)成，整體電路的直接作用就是將電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，就如同計(jì)算器的清零按鈕，可以通過(guò)一鍵式操作使整個(gè)系統(tǒng)回到原始狀態(tài)，重新投入工作，該電路具有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種復(fù)位方式。

人體檢測(cè)系統(tǒng)采用的是人體紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)。其中熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人體或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。熱釋電晶體目前已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器等方面，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。熱釋電紅外傳感器目前被廣泛地應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制裝置中。

飛行控制操作桿通過(guò)兩個(gè)四向按鍵來(lái)控制四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中一個(gè)四向按鍵控制飛行器的飛行方向，即前后左右;另一個(gè)四向按鍵的兩向按鍵控制飛行器的飛行速度，另外兩個(gè)按鍵KEY_L，KEY_R調(diào)整飛行器的姿態(tài)，即左側(cè)飛和右側(cè)飛。蜂鳴器是檢測(cè)到被困人員時(shí)的報(bào)警器，當(dāng)檢測(cè)到某一區(qū)域存在被困人員時(shí)，飛行控制操作桿上的蜂鳴器開始報(bào)警。另外，該蜂鳴器還能充當(dāng)飛行器電池電量的報(bào)警器，當(dāng)電量低于10%時(shí)，蜂鳴器以不同于檢測(cè)到被困人員報(bào)警時(shí)的頻率報(bào)警提示電池電量過(guò)低。另外，飛行控制操作桿上搭載OLED顯示屏可以顯示飛行器飛行過(guò)程中的各種參數(shù)，而且還可以利用按鍵對(duì)控制飛行器飛行的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整處理，使飛行器在飛行過(guò)程中能夠更加平穩(wěn)，從而提高搜救的成功率，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主控模塊、飛行器控制模塊、信息采集模塊、顯示模塊、上位機(jī)模塊、攝像頭以及傳輸模塊等七個(gè)模塊。其中主控模塊的程序流程如圖2所示。

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電時(shí)，飛行控制操作桿通過(guò)無(wú)線模塊和飛行器進(jìn)行通信，從而對(duì)飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行控制。當(dāng)人體檢測(cè)模塊檢測(cè)到被困人員時(shí)，通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)將被困人員的各種數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，并產(chǎn)生警報(bào)，同時(shí)將被困人員的地理位置發(fā)送給上位機(jī);攝像頭可以將實(shí)時(shí)拍攝到的圖片信息通過(guò)無(wú)線圖傳傳送給上位機(jī);上位機(jī)也可以將指揮部發(fā)出的語(yǔ)音信息傳送給被困人員。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的微型四軸救援機(jī)并對(duì)該設(shè)計(jì)的軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。整個(gè)設(shè)計(jì)具有操作性強(qiáng)，實(shí)用性高等特點(diǎn)，可由零經(jīng)驗(yàn)的人進(jìn)行操控，無(wú)需專門培訓(xùn)，極大地提高了搜救效率。通過(guò)本設(shè)計(jì)，筆者對(duì)無(wú)線技術(shù)和飛行器的控制技術(shù)有了更深入的了解，對(duì)書本知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的區(qū)別也有了較為深刻的認(rèn)識(shí)。但由于時(shí)間有限、個(gè)人水平和經(jīng)驗(yàn)不足，此設(shè)計(jì)在許多方面還有待完善，比如系統(tǒng)的無(wú)線穩(wěn)定性及有效傳輸距離和人體檢測(cè)模塊的穩(wěn)定性等。在接下來(lái)的研究中，筆者將把理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，從而針對(duì)性地解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，以期實(shí)現(xiàn)基于STM32的微型四軸救援機(jī)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善，發(fā)揮基于STM32的微型四軸救援機(jī)減少傷亡數(shù)量的作用，為相關(guān)研究提供有力參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭軍橋.非共軸式碟形飛行器研究 [D].上海：上海大學(xué)，2001：1-68.

[2] 吳東國(guó).基于四旋翼飛行器平臺(tái)的低空遙感技術(shù)在公路環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用 [J].公路交通技術(shù)，2012（6）：137-138.

[3] 姬江濤，扈菲菲，賀智濤，等.四旋翼無(wú)人機(jī)在農(nóng)田信息獲取中的應(yīng)用 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（2）：1-4.

[4] 趙晨，杜勇.四旋翼無(wú)人機(jī)在輸電線路巡視中的應(yīng)用 [J].湖北電力，2012，36（6）：35-36.

[5] 張鵬，程飛，曹宇強(qiáng)，等.一種新型四軸搜救飛行器設(shè)計(jì) [J].科技廣場(chǎng)，2010（9）：145-147.

[6] 劉慶元，徐柳華，沈彩蓮，等.基于無(wú)人飛行器遙感影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].測(cè)繪科學(xué)，2010，35（1）：28-30.