基于STM32的微型四轴救援机的设计与实现

张宏伟 钱叶册 许卫兵

摘  要：本文设计的救援机采用STM32作为主控芯片，以四轴无人机为载体，利用无线模块进行控制，人体生命检测模块进行检测，GPS模块进行定位，以实现救援的目的。利用四轴无人机搭载的人体检测模块对某一区域进行检测，当检测到受灾人员时，该模块会发送信号到主控芯片，然后主控芯片会将受灾人员的位置及时反馈给救援人员，那么在救援人员到达搜救地点之前，就可以利用无线对话模块对被困人员进行心理安慰及疏导，从而大大提高了救援的工作效率。

关键词：STM32;四轴无人机;人体生命检测;GPS定位

中图分类号：V249.1    文献标识码：A 文章编号：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、火灾、矿难等灾难发生后，在废墟中搜寻幸存者，给予必要的医疗救助，并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明，超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂，在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进入现场开展救援工作的，此外，废墟中形成的狭小空间使施救人员甚至搜救犬难以进入，从而大大延长了救援时间。四轴救援机可以很好地解决上述问题。四轴救援机可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者，进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并及时反馈给救援指挥中心，以便救援中心能做出最合理有效的救援方式，对被困人员提供基本的医疗救助服务。

四轴救援机是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带的电源驱动电机来提供动力。因其具有灵活性高、所需飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际新的研究热点。

基于STM32的微型四轴救援机的有效实施会增加地震被困者的生存几率，降低地震灾难带来的人员伤亡数量。作为不可抗因素，地震对人类的危害不容小觑，其一旦发生就有可能造成不计其数的财产损失和人员伤亡，但限于人类技术原因，通过震前预测来减少地震损失的方法还不是很现实，因此我们只能通过震后救援工作来减少财产损失和人员伤亡。而本文的基于STM32的微型四轴救援机就是针对这一问题进行设计的。当地震发生时，其可以快速有效地解救被困人员，把地震对人类生命安全的威胁降到最低，笔者对本项目进行设计以期在最大程度上，高效率地支援地震救灾工作，为国家贡献一份自己的力量。

2  系统组成

本文設计的基于STM32的微型四轴救援机系统框架如图1所示，根据功能，可以将整个系统分为主控芯片，人体生命检测系统，飞行器控制系统，摄像系统，报警系统，定位系统，无线图传以及无线通话等八大部分。STM32芯片是主控芯片;人体生命检测系统是该设计的核心部分，用来检测被困人员的生命特征信息;飞行器控制系统对四轴飞行器的飞行状态进行控制及调整;摄像系统可以对受灾地区的实时情况进行拍摄，然后通过无线图传系统实时上传到救灾指挥部;报警系统可以在人体生命检测系统检测到受灾人员的生命体征时而报警的;定位系统可以将发现的被困人员地理位置及时地发送给指挥部，以便于其及时实施救援;无线通话的功能是在救援人员到达被困人员的被困地点之前，为指挥部对被困人员进行安慰以及心理疏导提供沟通渠道。

3  系统硬件设计

四轴救援机的硬件设计包括对主控芯片、电源模块、晶振电路、传感器接口及无线控制电路等各部分的设计。

主控芯片为STM32单片机，其外围有晶振电路和复位电路。晶振电路采用电容-考毕兹交流等效震荡电路，即通过两端增加电容组成分立RC振荡器，由两个22P的电容和8HZ的晶振构成的电路，为单片机提供时间周期。复位电路由电阻、电容、二极管和开关按键等电子器件构成，整体电路的直接作用就是将电路恢复到起始状态，就如同计算器的清零按钮，可以通过一键式操作使整个系统回到原始状态，重新投入工作，该电路具有上电自动复位和手动复位两种复位方式。

人体检测系统采用的是人体红外感应模块检测。其中热释电红外传感器是一种能检测人体或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体目前已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器等方面，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。热释电红外传感器目前被广泛地应用在各种自动化控制装置中。

飞行控制操作杆通过两个四向按键来控制四轴飞行器的运动状态，其中一个四向按键控制飞行器的飞行方向，即前后左右;另一个四向按键的两向按键控制飞行器的飞行速度，另外两个按键KEY_L，KEY_R调整飞行器的姿态，即左侧飞和右侧飞。蜂鸣器是检测到被困人员时的报警器，当检测到某一区域存在被困人员时，飞行控制操作杆上的蜂鸣器开始报警。另外，该蜂鸣器还能充当飞行器电池电量的报警器，当电量低于10%时，蜂鸣器以不同于检测到被困人员报警时的频率报警提示电池电量过低。另外，飞行控制操作杆上搭载OLED显示屏可以显示飞行器飞行过程中的各种参数，而且还可以利用按键对控制飞行器飞行的各种参数进行调整处理，使飞行器在飞行过程中能够更加平稳，从而提高搜救的成功率，保障人民的生命财产安全。

4  系统软件设计

系统软件部分采用模块化设计，分为主控模块、飞行器控制模块、信息采集模块、显示模块、上位机模块、摄像头以及传输模块等七个模块。其中主控模块的程序流程如图2所示。

当整个系统上电时，飞行控制操作杆通过无线模块和飞行器进行通信，从而对飞行器的飞行状态进行控制。当人体检测模块检测到被困人员时，通过无线系统将被困人员的各种数据传到上位机，并产生警报，同时将被困人员的地理位置发送给上位机;摄像头可以将实时拍摄到的图片信息通过无线图传传送给上位机;上位机也可以将指挥部发出的语音信息传送给被困人员。

5  结  论

本文设计了基于STM32的微型四轴救援机并对该设计的软硬件进行了详细的介绍。整个设计具有操作性强，实用性高等特点，可由零经验的人进行操控，无需专门培训，极大地提高了搜救效率。通过本设计，笔者对无线技术和飞行器的控制技术有了更深入的了解，对书本知识和实际应用的区别也有了较为深刻的认识。但由于时间有限、个人水平和经验不足，此设计在许多方面还有待完善，比如系统的无线稳定性及有效传输距离和人体检测模块的稳定性等。在接下来的研究中，笔者将把理论知识与实践应用相结合，从而针对性地解决实际应用中的问题，以期实现基于STM32的微型四轴救援机设计的进一步完善，发挥基于STM32的微型四轴救援机减少伤亡数量的作用，为相关研究提供有力参考。

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