基于多级定位的无人机搜救系统设计

雷原 伍煜亮 陆珍萍 翁宗龙

广西大学 广西南宁 530000

1 项目研究的意义及其国内外现状

随着信息技术的迅猛发展，依托各项综合技术成果研制的无人机日趋成熟，在民用领域，特别是抢险救援中其发挥着重要作用[1]。

近些年来，一些学者对无人机搜救系统进行了研究。例如东北林业大学的学生设计了一款基于无人机的GPS全球定位系统和图像语义分割自识别系统，营救人员获取无人机传输的图像资料对无人机进行救援遥控控制[2]；法国Helper公司制造的“Helper”无人机往溺水人员附近，通过摄像头实时传回画面，对落水人员及其周围环境进行初步甄别，确定溺水人员位置后，无人机向溺水人员投放其携带的救生圈[3]；但是，以上水上救援方法都具有一定的局限性，如溺水人员落水时经常发生挣扎行为，造成人员分辨不清晰的后果，致使投放不够准确；或是无法实现自主定位，还需人工遥控等。相关研究认为无人机应当突破自主导航、稳定控制、自主起降、远程监控。

相对传统的水上救援方案，我们设计的搜救型无人机结合其优越的系统性能，可快速、高效、便捷地在湍急的河道上空对遇险目标进行定位与救援，具有更加智能化、成本低、无人员伤亡风险、机动性能好等优点。本无人机搜救系统同样也支持在地面运输工具无法展开救援行动的情况下将必要的食品、药品等物资投放给在山区等偏僻地区的迷途人员。且在灾情发生时，也可通过无人机自主投放物资用品等帮助遇险人员自救，并协助救援队顺利完成救助任务。

一级定位过程实现方案：当求救人员按下所示便携式装备上的电源开关后，此装备中集成的GPS模块通过无线数传模块将经纬度定位信息发送给上位机，上位机通过地面站控制系统规划出无人机到达定位点的最短航线后，再通过无线数传电台模块发送指令，控制无人机启动并执行系统任务。

二级定位过程实现方案：无人机到达初步定位区域后，将通过UWB模块测距，完成对搜救目标精准定位。飞控锁定目标后，通过I/O口输出PWM信号控制舵机，完成投放。

UWB模块定位系统基于无线超窄脉冲技术。该定位系统相对无线定位领域内的其他产品，具有定位精度高，性能稳定和抗干扰性强等特点。UWB模块有“基站”和“标签”两种工作模式，根据三边测量法的原理，通常建立有一标签，三基站式的定位系统，以及一标签，四基站式的定位系统等。但基于本项目对无人机空中定位的特殊要求与条件，我们建立了一标签，一基站式定位系统，其大致工作原理如图1所示。

图1 基于UWB的定位算法原理图

无人机沿单方向飞行并实时测量出飞机同目标点的距离S，由点到直线的距离变化趋势可知S先变小，后变大。既在单一方向上存在一个距离最小值，当测距模块检测到距离变化拐点时，无人机将减速并朝向目标点的一侧转向90度，由此产生制动距离x，x的大小随着无人机不断接近目标点而逐次递减。预设最大允许投放距离为a，则当无人机垂直投影到目标点的水平距离d在区域（0，a]内时，表明无人机已到达目标区域，完成定位。

在程序中，我们的实现方法为：飞控搭载UWB模块，在起飞任务开始执行后，UWB模块将测得的距离值大小反馈给飞控，飞控通过判断前后两次数值大小得到距离的变化趋势q，当q＞0时，飞控调转无人机飞行方向角180度。当q＜0时，飞控保持水平，且以直线方向飞行，此时q值变大且趋向于0。当q=0时，飞控以上一次转角方向为基准使无人机转向90度并保持直线飞行，此时q值变化使飞控重新执行判断命令。直到水平距离d满足下式：

其中，a为系统预设值，表示无人机同目标点间的最大可投放距离。h为无人机实测相对高度，由飞控搭载的超声波模块测得。当无人机到达可投放区域后，飞控调整模式转换为悬停模式，并通过I/O接口向舵机发送PWM信号，使单片机控制舵机完成投放动作。

2 结语

本系统基于GPS和UWB技术实现多级定位，精度高稳定性强，且UWB模块功耗低，易于集成在电子手环，工程帽等装置中，方便人们日常携戴以在发生危险时即时使用，具有较强的适应性。