基于多級定位的無人機搜救系統設計

雷原 伍煜亮 陸珍萍 翁宗龍

廣西大學 廣西南寧 530000

1 項目研究的意義及其國內外現狀

隨著信息技術的迅猛發展，依托各項綜合技術成果研制的無人機日趨成熟，在民用領域，特別是搶險救援中其發揮著重要作用[1]。

近些年來，一些學者對無人機搜救系統進行了研究。例如東北林業大學的學生設計了一款基于無人機的GPS全球定位系統和圖像語義分割自識別系統，營救人員獲取無人機傳輸的圖像資料對無人機進行救援遙控控制[2]；法國Helper公司制造的“Helper”無人機往溺水人員附近，通過攝像頭實時傳回畫面，對落水人員及其周圍環境進行初步甄別，確定溺水人員位置后，無人機向溺水人員投放其攜帶的救生圈[3]；但是，以上水上救援方法都具有一定的局限性，如溺水人員落水時經常發生掙扎行為，造成人員分辨不清晰的后果，致使投放不夠準確；或是無法實現自主定位，還需人工遙控等。相關研究認為無人機應當突破自主導航、穩定控制、自主起降、遠程監控。

相對傳統的水上救援方案，我們設計的搜救型無人機結合其優越的系統性能，可快速、高效、便捷地在湍急的河道上空對遇險目標進行定位與救援，具有更加智能化、成本低、無人員傷亡風險、機動性能好等優點。本無人機搜救系統同樣也支持在地面運輸工具無法展開救援行動的情況下將必要的食品、藥品等物資投放給在山區等偏僻地區的迷途人員。且在災情發生時，也可通過無人機自主投放物資用品等幫助遇險人員自救，并協助救援隊順利完成救助任務。

一級定位過程實現方案：當求救人員按下所示便攜式裝備上的電源開關后，此裝備中集成的GPS模塊通過無線數傳模塊將經緯度定位信息發送給上位機，上位機通過地面站控制系統規劃出無人機到達定位點的最短航線后，再通過無線數傳電臺模塊發送指令，控制無人機啟動并執行系統任務。

二級定位過程實現方案：無人機到達初步定位區域后，將通過UWB模塊測距，完成對搜救目標精準定位。飛控鎖定目標后，通過I/O口輸出PWM信號控制舵機，完成投放。

UWB模塊定位系統基于無線超窄脈沖技術。該定位系統相對無線定位領域內的其他產品，具有定位精度高，性能穩定和抗干擾性強等特點。UWB模塊有“基站”和“標簽”兩種工作模式，根據三邊測量法的原理，通常建立有一標簽，三基站式的定位系統，以及一標簽，四基站式的定位系統等。但基于本項目對無人機空中定位的特殊要求與條件，我們建立了一標簽，一基站式定位系統，其大致工作原理如圖1所示。

圖1 基于UWB的定位算法原理圖

無人機沿單方向飛行并實時測量出飛機同目標點的距離S，由點到直線的距離變化趨勢可知S先變小，后變大。既在單一方向上存在一個距離最小值，當測距模塊檢測到距離變化拐點時，無人機將減速并朝向目標點的一側轉向90度，由此產生制動距離x，x的大小隨著無人機不斷接近目標點而逐次遞減。預設最大允許投放距離為a，則當無人機垂直投影到目標點的水平距離d在區域（0，a]內時，表明無人機已到達目標區域，完成定位。

在程序中，我們的實現方法為：飛控搭載UWB模塊，在起飛任務開始執行后，UWB模塊將測得的距離值大小反饋給飛控，飛控通過判斷前后兩次數值大小得到距離的變化趨勢q，當q＞0時，飛控調轉無人機飛行方向角180度。當q＜0時，飛控保持水平，且以直線方向飛行，此時q值變大且趨向于0。當q=0時，飛控以上一次轉角方向為基準使無人機轉向90度并保持直線飛行，此時q值變化使飛控重新執行判斷命令。直到水平距離d滿足下式：

其中，a為系統預設值，表示無人機同目標點間的最大可投放距離。h為無人機實測相對高度，由飛控搭載的超聲波模塊測得。當無人機到達可投放區域后，飛控調整模式轉換為懸停模式，并通過I/O接口向舵機發送PWM信號，使單片機控制舵機完成投放動作。

2 結語

本系統基于GPS和UWB技術實現多級定位，精度高穩定性強，且UWB模塊功耗低，易于集成在電子手環，工程帽等裝置中，方便人們日常攜戴以在發生危險時即時使用，具有較強的適應性。