基于六轴飞行器的多功能搜救系统的研制

杜凯，张和华，戴晨曦，张晓武，朱兴友，尹军

1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所 医学工程科，重庆 400042；2.第三军医大学 生物医学工程系，重庆 400038

基于六轴飞行器的多功能搜救系统的研制

杜凯1,2，张和华1，戴晨曦1,2，张晓武1，朱兴友1，尹军1

1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所 医学工程科，重庆 400042；2.第三军医大学 生物医学工程系，重庆 400038

本文基于普通六轴飞行器设计了一种多功能搜救飞行器，尝试将小型飞行器应用在救灾现场。该搜救飞行器主要由单片机、电源、IPS接口、信号发射和接收装置、螺旋桨、电机、角速度传感器、外围执行和反馈电路、夜航指示灯、可折叠支架等组成，能够完全适应现代化的搜救行动，有利于搜救人员快速、有效、准确地应对受灾情况，节约搜救成本，对于现行搜救系统搜救能力的提升具有重要借鉴意义。

六轴飞行器；多功能搜救；单片机；角速度传感器

0 前言

无人飞行器多年来一直是各国研究的热点[1-3]。在无人飞行器技术上，除了传统的固定翼无人飞行器外，多旋翼无人飞行器的应用也逐渐广泛，尤其是小型多旋翼无人飞行器。小型多旋翼无人飞行器结构简单、操作灵活，对起飞和降落场地的要求不高，还可实现定点、定高、定时巡航，对复杂地形条件有良好的适应性，而这些特点正是固定翼无人飞行器的短板。

多旋翼飞行器的旋翼越多，其稳定性和载重能力就越强。经过对不同旋翼飞行器性能的考察和实际应用的比较发现，六轴飞行器既能满足较多场合的实际需求，又能尽可能地节省成本，为此笔者特地制作了一台小型六轴飞行器。

现行的搜救系统主要由地面搜集队伍完成整个搜救过程，存在效率低、时效性差等问题；而直升机等飞行器的应用又存在各种限制，实际使用情况并不良好。近几年来，人们发现了小型飞行器并尝试将其应用到搜救系统中，但一直没有太大的进展。本文主要讨论将小型飞行器运用到搜救系统的可能性[4-5]。

1 六轴飞行器简介

目前的无线探测系统已经非常成熟。飞行器主要利用众多传感器如气压计、陀螺仪、超声波雷达、GPS等来保证其飞行的稳定性。

普通飞行器主要由动力系统、控制系统和通信系统组成，可以担负一些基础任务。对普通飞行器进行升级和拓展，如加载拍摄系统、生命探测系统、图像识别系统和定位系统等就能实现具体的功能。目前市场上应用到具体领域或具有具体功能的飞行器比较少见，成批量生产和应用的飞行器更是寥寥无几，因此飞行器具体功能的实现尚有待开发。

2 控制系统组成与工作原理

多旋翼飞行器的核心是控制系统，六轴飞行器也不例外。本研究中，飞行器控制系统以ATMEGA8535单片机为核心，与执行操作的外围电路和传感器检测电路形成一个闭环控制系统。为了进一步提高飞行器的智能化和可操控性，本研究在其上安装了角速度传感器作为姿态传感器来获取其角度信号，以感知飞行器的当前状态，并将其反馈到单片机中，与目标状态进行比较，再融合其加速度传感器采集的信号一起完成姿态检测。飞行器姿态的控制是通过PID控制算法实现的，这一过程需要动力系统和通信系统的配合。

本研究设计的飞行器具有承载量大、飞行控制精确和可折叠等特点。首先，飞行器是六轴飞行器，一般来说飞行器的轴数越多，承载量越大，而现在的飞行器多数为四轴飞行器，六轴飞行器普遍较少。其次，飞行器的电源选用6S10000型号10000mA电池，储存电量大，续航时间长[6]。第三，飞行器采用GPS/北斗双定位系统，定位极其精确，可以做到经纬度定位、精确悬停、定轨巡航等，完全符合搜救系统对精密度的要求。最后，机架采用可折叠结构，解决了以往六轴飞行器机型大、不方便携带的短板。

本研究所设计的六轴飞行器结构示意图，见图1。

图1 六轴飞行器结构示意图

2.1 控制系统硬件及其结构

基于六轴飞行器的特殊结构和体积小、功耗低、重量轻等特点，飞行器的控制系统设计以单片机为核心，并在元器件的选择上尽量选用贴片封装的电阻、电容及其它元器件，使整机总体重量减轻，并尽可能采用功耗低的CMOS元器件，使总机的整体功耗降低。

控制系统结构框图，见图2。控制人员通过控制端控制整个系统，通过通信装置将信号传送到单片机。根据信号的不同，单片机对动力装置和功能装置进行控制。动力装置主要负责螺旋桨桨叶和调速器的控制。功能装置中配有生命探测仪、环境监测设备（高清摄像头、声音接收器和温湿度传感器等）、有毒物质检测仪、救灾物品和其它通用功能模块接口（可以接其他传感器、检测仪等）。

图2 控制系统结构框图

2.2 飞行控制过程的优势

现有的六轴飞行器控制过程的一般实现方法是单向通信，即由操作者控制飞行器的飞行。本研究设计的六轴飞行器实现了双向通信，即由控制端发出控制信号，终端执行后返回执行结果和相应的数据（误差、经纬度坐标、探测信号等），有助于使用者进一步下达操作指令。

六轴飞行器的飞行控制过程与其他飞行器有着不一样的特点[7]，它通过调节6个电机的转速来改变其螺旋桨速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。六轴飞行器采用6个固定倾角旋翼，它们与中心的距离相等。对角的一对电机产生形态的升力，可以使力矩达到平衡。6个电机中，3个逆时针旋转，3个顺时针旋转，可以使飞行器平衡飞行时，竖直方向上的空气动力扭矩效应被抵消，从而保证六轴航向的稳定。

六轴飞行器旋翼结构示意图，见图3。

图3 六轴飞行器旋翼结构示意图

6个电机被分为两组，其中1、3、5电机顺时针旋转，2、4、6电机逆时针旋转。通过6个电机不同的转速组合可以实现飞行器的姿态变换，从而实现各种复杂运动。当6个电机同时增速（减速）时，可以实现飞行器的上下平移；当6个电机的升力之和等于飞行器总重时，可以保持悬停；保持旋翼2、5对机身的反扭矩等于旋翼3、6对机身的反扭矩，利用电机2、3与电机5、6控制的旋翼的升力之差使飞行器发生倾斜，可以实现飞行器的前后运动；当1、3、5电机转速上升，2、4、6电机转速下降，向左的反扭矩大于向右的反扭矩时，飞行器便在反扭矩的作用下实现了向左的侧向运动，向右的侧向运动同理。

2.3 飞行器的功能

该飞行器的最大特点在于通过搭载不同的搜救模块，可以执行周围环境监测、生命探测、有毒物质检测和救灾物品投放等一系列任务。

（1）周围环境监测。飞行器上搭载高清摄像头、声音接收器和温湿度计，摄像头像素达600万，主要拍摄物体的运动过程。飞行器飞行到目的地时，通过高清摄像头、声音接收器和温湿度计，可以使操控人员了解周围的环境。当飞行器靠近障碍物时，会自动进行规避（通过单片机实现），并通过语音提示操控人员，避免飞行器损坏。

（2）生命特征探测。飞行器可以到达救灾人员短时间内无法到达的区域，通过打开搭载的生命探测仪进行近距离的生命特征探测，然后将探测到的数据通过通信频道传输到后方救灾基地的计算机上，使救灾信息中心可以快速精准地了解是否有人员被困，从而缩短营救时间。

（3）有毒物质检测。飞行器的有毒物质检测功能为搜救人员提供了很大的便利，如果灾区出现有毒气体，搜救人员未配备防护面具，这将会给搜救人员带来极其严重的伤害。飞行器配备基本的有毒气体检测器，可以检测到可燃性气体和H2S、CO、HCN、SO2、NH3、HCl、Cl2和H2等10多种有毒气体。

（4）救灾物品投放。飞行器搭载基本的救灾物品，如急救药品、急救用水等，这些物品重量轻，但在救灾环境下极其珍贵，是受灾人员的救命物品。救灾物品投放主要通过飞行器上的救灾控制装置实现，操作人员只需在远方操作区域点击投放按钮即可进行物品投放。

2.4 控制系统软件优化

六轴飞行器的飞行控制过程复杂，为了提高飞行器的操作精度，需要对不同环境、不同任务下的操作参数进行校正，因此在操作系统上预留的IPS接口就体现出了其优势，它能够显著增加飞行器的适应性。此外，在执行指令的同时，会伴随有同强度的信号传输，为了实现精确控制，需要对不同的信号进行隔离。

2.4.1 在线编程接口电路

该飞行器的平衡控制通过多次实验进行了修正改进，其ISP接口电路为软件程序部分的修改提供了很大便利。控制系统的遥控器能够输出副翼通道、升降通道、油门通道、方向通道4个通道的PWM控制信号。

2.4.2 信号隔离电路

在飞行过程中，飞行器电机的转动会产生较大的冲击电流和脉冲干扰。为了提高飞行控制系统的可靠性，有必要对ATMEGA8535单片机输出的PWM信号进行隔离。隔离电路采用ADI公司推出的基于iCoupler磁耦隔离技术的数字隔离器，该隔离器采用高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都聚具有光电隔离器件无法比拟的优势。

3 性能测试

对组装完成的六轴飞行器进行了性能测试，测试结果表明：该飞行器能够按照操作要求完成规定动作，实现了设计目标。

在此列举一个实例，目的是要求飞行器向上攀升50m悬停。操作者使用手中的控制器，通过飞行控制杆发出向上攀升的指令；指令通过通信频道传到飞行器的接收端，经过信号处理后，飞行器的6个动力发动机进行转动以执行指令，并实时传回信号，辅助操作者操作；飞行器在到达预定位置（通过操作者手中的操作终端可以确定飞行的位置）后，即执行悬停任务。

4 结论

本研究所设计的飞行器主要在控制系统方面进行了改进，将飞行器的特点与搜救功能有效地结合了起来。飞行器还搭载了GPS模块，如果意外离开了遥控范围，飞行器会按照预先设定的GPS定位点自动返航；且能够利用GPS坐标和高度信息设定一系列路径点，进而按照路径点自动巡航；电池电压过低时则会自动紧急降落等，这些功能使得飞行器更加智能化[8-9]。

现有的飞行器技术已经非常成熟，完全可以根据需要进行组装和改进，小型飞行器因其方便快捷、时效性强的特点必然会在搜救方面得到更好的应用[10]。相信日后在探查检测、识别取证、远程交流等方面都能看到小型飞行器的身影。

[1]王冬来,吕强,王珂珂.基于非线性指数趋近律的飞行器纵向姿态控制[J].计算机工程与设计,2012,33（10）：4038-4040.

[2]王冬来,吕强,刘峰.基于L1神经网络自适应算法的飞行器姿态控制[J].计算机工程与设计,2012,33（12）：4758-4761.

[3]高应杰,陈鼎新,李荣明.小型四旋翼无人飞行器控制算法研究[J].计算机与现代化,2011,（10）：4-7.

[4]刘羽峰,宁媛.六轴旋翼碟形飞行器控制系统软件设计及仿真研究[J].计算机测量与控制,2011,19（5）：1208-1211.

[5]王毅琳.直升机模拟训练平台的构建与应用[J].中国医疗设备, 2015,30（3）：24-26.

[6]方美发,李龙棋,唐晓腾.一种四旋翼飞行器样机的制作[J].闽江学院学报,2014,（2）：59-66.

[7]樊鹏辉,王新华,蔡开元.可垂直起降,高速前飞的飞行器设计与控制[J].控制理论与应用,2010,27（9）：1171-1177.

[8]刘峰,吕强,王国胜,等.四轴飞行器姿态控制系统设计[J].计算机测量与控制,2011,19（3）：583-585.

[9]杨成顺,杨忠,许德智,等.新型六旋翼飞行器的轨迹跟踪控制[J].系统工程与电子技术,2012,34（10）：2098-2105.

[10]王伟,胡镇,马浩,等.多旋翼倾转定翼无人机的姿态控制[J].计算机仿真,2014,31（1）：31-35.

Development of a Multi-Functional Search and Rescue System Based on the Six-Rotor Helicopter

DU Kai1,2, ZHANG He-hua1, DAI Chen-xi1,2, ZHANG Xiao-wu1, ZHU Xing-you1, YIN Jun1
1.Department of Medical Engineering, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China；2.Institute of Bio-Medical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China

A multi-functional search and rescue aircraft was designed based on the six-rotor helicopter, which mainly consisted of the single chip microcomputer, power supply, IPS interface, signal transmitting and receiving device, propeller, motor, angular rate sensor, peripheral execution and feedback circuit, night light and foldable bracket.The new system was intended for application in the emergency rescue situations and met the requirements of modernized search and rescue actions.It had proven its features in helping rescue staff deal with the rescue situations in a faster, more effective and accurate way, which reduced the search and rescue cost and also provided significant references for improvements.

helicopters with six rotors；multi-functional search and rescue；single chip microcomputer；angular rate sensor

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.008

1674-1633（2015）07-0025-03

2015-03-18

修回日期：2015-04-10

张和华，工程师。

作者邮箱：384835353@qq.com