搜救飞行器的设计与实现

古智锋 陈娟 钟巧红

【摘要】自然灾害频繁出现，现代搜救中，由于搜救环境的地面限制，很多地面搜救装置都难以进入搜救地点，并且受到残檐断壁的阻碍，搜救路线常常寸步难行，在探测过程中容易造成2次伤害，本设计采用的搜救装置是四轴飞行器，该飞行器体积小，适合在复杂又狭小的环境下飞行，通过飞行器上的传感器对搜救地点进行生命检测，将疑似有生命存在的地点数据通过网络发送到服务器进行处理。分析表明，这种搜寻方式具有准确性、高效性的特点，适合城市地震受灾地点使用。

【关键词】飞行器 搜救 生命检测 任务指派

【中图分类号】TP391.41；TP242 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）35-0296-01

一、飞行器设计

1.飞行器模型设计

本文飞行器模型采用四轴驱动设计，通过调节四个电机的转速使得飞行器各个部位获得不同的升力，如图1所示，Mt代表飞行器的螺旋桨，为了达到动平衡状态，相邻的螺旋桨转向相反，使得飞行器受到的扭矩方向之间可以互相抵消。

2.機械结构设计

飞行器在结构设计方面要求材料质地均匀，保证其对称性和稳定性，在进行模块安装时也要保证飞行器的平衡，让各个模块均匀的安放在飞行器的不同部位，重心控制在飞行器下方。

二、硬件控制部分及程序设计

1.整体设计

该项目主要由STM32主控芯片、无线信号检测模块、异型传感器组成的空气质量检测模块、无线收发器模块、基于STC51单片机制作的飞行器遥控板等组成。主控芯片对各个模块信息进行收集，并将数据发送至服务器；无线信号检测模块用于检测手机等电子设备发出的无线信号，将发出无线信号的位置进行记录；异形传感器用于收集空气中的气体成分，检测空气中是否存在有害气体；无线收发模块完成数据方面的传输，将收集到的信息发送到服务器；飞行器遥控板主要用于给飞行器下达指令，令飞行器可以按照设定的路线进行搜索或改变搜寻状态。

2.程序的组成框图及功能

系统程序采用模块化的程序设计方法，主要由姿态控制子程序、无线收发子程序、异形传感器融合算法子程序组成。姿态控制子程序主要实现飞行器的姿态控制，控制飞行器进行前进后退，左右移动；无线收发子程序主要实现数据的传输功能，可以将现场数据实时回传至服务器；异形传感器融合算法主要是收集飞行器上不同传感器的信息，将多个传感器的信息收集起来，得出空气质量报告，对飞行路线进行规划，控制搜寻高度。

3.程序流程图

搜救飞行器的无人控制和智能判断是本设计的亮点所在，通过对多个传感器的数据采集，在飞行器启动时，系统将对其进行功能检测，确保硬件设备正常，而后可以导入预先设置好的参数，如搜寻的目的地的坐标，接着飞行器将会以时间片轮询[1]的方式对系统任务进行调度，在进行程序设计时，先根据具体需要，设计出一个合理的时间片（大概20ms），在规定的时间片 内，将系统的所有模块运行一遍，每个功能模块都设置成彼此独立的子程序，在每个功能模块的开始处都设置了一个标志位，进入功能模块后，首先根据标志位判断是否执行该子程序，如满足要求则执行，否则，进入下一个功能模块，如果某些功能模块涉及到延时，不再像传统的编程思想那样进行延时等待，而是以时间片设置的时间为基准，在某些功能模块延时期间，继续执行其他模块的功能，这样系统执行 完一遍所有功能模块需用一个时间片的时间，如果时间片的时间足够短，在程序的执行过程中，就相当于所有的功能模块同时工作一样，从而满足多任务实时要求。

三、系统功能测试

主要测试自动飞行在各种环境下的运行状况，测试传感器的感知是否达到预期，各个传感器的运行状况。

通过分析表1，可以得出，飞行器在一般障碍物下已经能够自主飞行，虽然绕行存在误差，但后期可以通过北斗进行重新定位。

通过分析表2的数据，可以看出飞行器已经能够通过传感器检测到人体，并且能触发拍照功能，实现了飞行器的自主搜索功能，为后期缩小搜寻范围提供了重要的参考数据。

四、结语

本文基于STM32F407主控，利用传感器数据采集结合摄像头方式实现了无人机在灾害现场的自主搜救功能，并且通过气体传感器、数字信号检测的方式为搜救现场提供了数据支持。实现了飞行器在救援时路线规划，发现可能有人员被困的地点时自动拍照并且上传GPS坐标，能够采集现场的环境状况数据，为救援人员的人身安全提供了保障，同时也能为救援提前做好更充分的准备。

参考文献：

[1] 曾敬.电脑学习[J].《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司.四川：西华师范大学，2010.

[2] 黄智伟.无线数字收发电路设计—电路原理与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2003.

[3] 刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究和设计[D].上海：上海交通大学， 2009.

[4] 陈海滨，殳国华. 四旋翼飞行器的设计. 实验室研究与探索[J].上海： 上海交通大学，2013.

作者简介：

古智锋（1989—），男，助理实验师，本科，研究方向为系统设计与数据分析。