杜凱，張和華，戴晨曦，張曉武，朱興友，尹軍

1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042；2.第三軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，重慶 400038

基于六軸飛行器的多功能搜救系統(tǒng)的研制

杜凱1,2，張和華1，戴晨曦1,2，張曉武1，朱興友1，尹軍1

1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042；2.第三軍醫(yī)大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，重慶 400038

本文基于普通六軸飛行器設(shè)計(jì)了一種多功能搜救飛行器，嘗試將小型飛行器應(yīng)用在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。該搜救飛行器主要由單片機(jī)、電源、IPS接口、信號(hào)發(fā)射和接收裝置、螺旋槳、電機(jī)、角速度傳感器、外圍執(zhí)行和反饋電路、夜航指示燈、可折疊支架等組成，能夠完全適應(yīng)現(xiàn)代化的搜救行動(dòng)，有利于搜救人員快速、有效、準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)受災(zāi)情況，節(jié)約搜救成本，對(duì)于現(xiàn)行搜救系統(tǒng)搜救能力的提升具有重要借鑒意義。

六軸飛行器；多功能搜救；單片機(jī)；角速度傳感器

0 前言

無(wú)人飛行器多年來(lái)一直是各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1-3]。在無(wú)人飛行器技術(shù)上，除了傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人飛行器外，多旋翼無(wú)人飛行器的應(yīng)用也逐漸廣泛，尤其是小型多旋翼無(wú)人飛行器。小型多旋翼無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活，對(duì)起飛和降落場(chǎng)地的要求不高，還可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定高、定時(shí)巡航，對(duì)復(fù)雜地形條件有良好的適應(yīng)性，而這些特點(diǎn)正是固定翼無(wú)人飛行器的短板。

多旋翼飛行器的旋翼越多，其穩(wěn)定性和載重能力就越強(qiáng)。經(jīng)過(guò)對(duì)不同旋翼飛行器性能的考察和實(shí)際應(yīng)用的比較發(fā)現(xiàn)，六軸飛行器既能滿足較多場(chǎng)合的實(shí)際需求，又能盡可能地節(jié)省成本，為此筆者特地制作了一臺(tái)小型六軸飛行器。

現(xiàn)行的搜救系統(tǒng)主要由地面搜集隊(duì)伍完成整個(gè)搜救過(guò)程，存在效率低、時(shí)效性差等問(wèn)題；而直升機(jī)等飛行器的應(yīng)用又存在各種限制，實(shí)際使用情況并不良好。近幾年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了小型飛行器并嘗試將其應(yīng)用到搜救系統(tǒng)中，但一直沒(méi)有太大的進(jìn)展。本文主要討論將小型飛行器運(yùn)用到搜救系統(tǒng)的可能性[4-5]。

1 六軸飛行器簡(jiǎn)介

目前的無(wú)線探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟。飛行器主要利用眾多傳感器如氣壓計(jì)、陀螺儀、超聲波雷達(dá)、GPS等來(lái)保證其飛行的穩(wěn)定性。

普通飛行器主要由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，可以擔(dān)負(fù)一些基礎(chǔ)任務(wù)。對(duì)普通飛行器進(jìn)行升級(jí)和拓展，如加載拍攝系統(tǒng)、生命探測(cè)系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等就能實(shí)現(xiàn)具體的功能。目前市場(chǎng)上應(yīng)用到具體領(lǐng)域或具有具體功能的飛行器比較少見(jiàn)，成批量生產(chǎn)和應(yīng)用的飛行器更是寥寥無(wú)幾，因此飛行器具體功能的實(shí)現(xiàn)尚有待開發(fā)。

2 控制系統(tǒng)組成與工作原理

多旋翼飛行器的核心是控制系統(tǒng)，六軸飛行器也不例外。本研究中，飛行器控制系統(tǒng)以ATMEGA8535單片機(jī)為核心，與執(zhí)行操作的外圍電路和傳感器檢測(cè)電路形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高飛行器的智能化和可操控性，本研究在其上安裝了角速度傳感器作為姿態(tài)傳感器來(lái)獲取其角度信號(hào)，以感知飛行器的當(dāng)前狀態(tài)，并將其反饋到單片機(jī)中，與目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行比較，再融合其加速度傳感器采集的信號(hào)一起完成姿態(tài)檢測(cè)。飛行器姿態(tài)的控制是通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)的，這一過(guò)程需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)和通信系統(tǒng)的配合。

本研究設(shè)計(jì)的飛行器具有承載量大、飛行控制精確和可折疊等特點(diǎn)。首先，飛行器是六軸飛行器，一般來(lái)說(shuō)飛行器的軸數(shù)越多，承載量越大，而現(xiàn)在的飛行器多數(shù)為四軸飛行器，六軸飛行器普遍較少。其次，飛行器的電源選用6S10000型號(hào)10000mA電池，儲(chǔ)存電量大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)[6]。第三，飛行器采用GPS/北斗雙定位系統(tǒng)，定位極其精確，可以做到經(jīng)緯度定位、精確懸停、定軌巡航等，完全符合搜救系統(tǒng)對(duì)精密度的要求。最后，機(jī)架采用可折疊結(jié)構(gòu)，解決了以往六軸飛行器機(jī)型大、不方便攜帶的短板。

本研究所設(shè)計(jì)的六軸飛行器結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 六軸飛行器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件及其結(jié)構(gòu)

基于六軸飛行器的特殊結(jié)構(gòu)和體積小、功耗低、重量輕等特點(diǎn)，飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，并在元器件的選擇上盡量選用貼片封裝的電阻、電容及其它元器件，使整機(jī)總體重量減輕，并盡可能采用功耗低的CMOS元器件，使總機(jī)的整體功耗降低。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖2?？刂迫藛T通過(guò)控制端控制整個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)通信裝置將信號(hào)傳送到單片機(jī)。根據(jù)信號(hào)的不同，單片機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置和功能裝置進(jìn)行控制。動(dòng)力裝置主要負(fù)責(zé)螺旋槳槳葉和調(diào)速器的控制。功能裝置中配有生命探測(cè)儀、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備（高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度傳感器等）、有毒物質(zhì)檢測(cè)儀、救災(zāi)物品和其它通用功能模塊接口（可以接其他傳感器、檢測(cè)儀等）。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 飛行控制過(guò)程的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有的六軸飛行器控制過(guò)程的一般實(shí)現(xiàn)方法是單向通信，即由操作者控制飛行器的飛行。本研究設(shè)計(jì)的六軸飛行器實(shí)現(xiàn)了雙向通信，即由控制端發(fā)出控制信號(hào)，終端執(zhí)行后返回執(zhí)行結(jié)果和相應(yīng)的數(shù)據(jù)（誤差、經(jīng)緯度坐標(biāo)、探測(cè)信號(hào)等），有助于使用者進(jìn)一步下達(dá)操作指令。

六軸飛行器的飛行控制過(guò)程與其他飛行器有著不一樣的特點(diǎn)[7]，它通過(guò)調(diào)節(jié)6個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變其螺旋槳速度，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。六軸飛行器采用6個(gè)固定傾角旋翼，它們與中心的距離相等。對(duì)角的一對(duì)電機(jī)產(chǎn)生形態(tài)的升力，可以使力矩達(dá)到平衡。6個(gè)電機(jī)中，3個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，3個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以使飛行器平衡飛行時(shí)，豎直方向上的空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)被抵消，從而保證六軸航向的穩(wěn)定。

六軸飛行器旋翼結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 六軸飛行器旋翼結(jié)構(gòu)示意圖

6個(gè)電機(jī)被分為兩組，其中1、3、5電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2、4、6電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通過(guò)6個(gè)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速組合可以實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)變換，從而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。當(dāng)6個(gè)電機(jī)同時(shí)增速（減速）時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)飛行器的上下平移；當(dāng)6個(gè)電機(jī)的升力之和等于飛行器總重時(shí)，可以保持懸停；保持旋翼2、5對(duì)機(jī)身的反扭矩等于旋翼3、6對(duì)機(jī)身的反扭矩，利用電機(jī)2、3與電機(jī)5、6控制的旋翼的升力之差使飛行器發(fā)生傾斜，可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前后運(yùn)動(dòng)；當(dāng)1、3、5電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，2、4、6電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，向左的反扭矩大于向右的反扭矩時(shí)，飛行器便在反扭矩的作用下實(shí)現(xiàn)了向左的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，向右的側(cè)向運(yùn)動(dòng)同理。

2.3 飛行器的功能

該飛行器的最大特點(diǎn)在于通過(guò)搭載不同的搜救模塊，可以執(zhí)行周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)、生命探測(cè)、有毒物質(zhì)檢測(cè)和救災(zāi)物品投放等一系列任務(wù)。

（1）周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)。飛行器上搭載高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度計(jì)，攝像頭像素達(dá)600萬(wàn)，主要拍攝物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。飛行器飛行到目的地時(shí)，通過(guò)高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度計(jì)，可以使操控人員了解周圍的環(huán)境。當(dāng)飛行器靠近障礙物時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行規(guī)避（通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)），并通過(guò)語(yǔ)音提示操控人員，避免飛行器損壞。

（2）生命特征探測(cè)。飛行器可以到達(dá)救災(zāi)人員短時(shí)間內(nèi)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，通過(guò)打開搭載的生命探測(cè)儀進(jìn)行近距離的生命特征探測(cè)，然后將探測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)通信頻道傳輸?shù)胶蠓骄葹?zāi)基地的計(jì)算機(jī)上，使救災(zāi)信息中心可以快速精準(zhǔn)地了解是否有人員被困，從而縮短營(yíng)救時(shí)間。

（3）有毒物質(zhì)檢測(cè)。飛行器的有毒物質(zhì)檢測(cè)功能為搜救人員提供了很大的便利，如果災(zāi)區(qū)出現(xiàn)有毒氣體，搜救人員未配備防護(hù)面具，這將會(huì)給搜救人員帶來(lái)極其嚴(yán)重的傷害。飛行器配備基本的有毒氣體檢測(cè)器，可以檢測(cè)到可燃性氣體和H2S、CO、HCN、SO2、NH3、HCl、Cl2和H2等10多種有毒氣體。

（4）救災(zāi)物品投放。飛行器搭載基本的救災(zāi)物品，如急救藥品、急救用水等，這些物品重量輕，但在救災(zāi)環(huán)境下極其珍貴，是受災(zāi)人員的救命物品。救災(zāi)物品投放主要通過(guò)飛行器上的救災(zāi)控制裝置實(shí)現(xiàn)，操作人員只需在遠(yuǎn)方操作區(qū)域點(diǎn)擊投放按鈕即可進(jìn)行物品投放。

2.4 控制系統(tǒng)軟件優(yōu)化

六軸飛行器的飛行控制過(guò)程復(fù)雜，為了提高飛行器的操作精度，需要對(duì)不同環(huán)境、不同任務(wù)下的操作參數(shù)進(jìn)行校正，因此在操作系統(tǒng)上預(yù)留的IPS接口就體現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)，它能夠顯著增加飛行器的適應(yīng)性。此外，在執(zhí)行指令的同時(shí)，會(huì)伴隨有同強(qiáng)度的信號(hào)傳輸，為了實(shí)現(xiàn)精確控制，需要對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行隔離。

2.4.1 在線編程接口電路

該飛行器的平衡控制通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了修正改進(jìn)，其ISP接口電路為軟件程序部分的修改提供了很大便利?？刂葡到y(tǒng)的遙控器能夠輸出副翼通道、升降通道、油門通道、方向通道4個(gè)通道的PWM控制信號(hào)。

2.4.2 信號(hào)隔離電路

在飛行過(guò)程中，飛行器電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流和脈沖干擾。為了提高飛行控制系統(tǒng)的可靠性，有必要對(duì)ATMEGA8535單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離。隔離電路采用ADI公司推出的基于iCoupler磁耦隔離技術(shù)的數(shù)字隔離器，該隔離器采用高速CMOS工藝和芯片級(jí)的變壓器技術(shù)，在性能、功耗、體積等各方面都聚具有光電隔離器件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

3 性能測(cè)試

對(duì)組裝完成的六軸飛行器進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該飛行器能夠按照操作要求完成規(guī)定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在此列舉一個(gè)實(shí)例，目的是要求飛行器向上攀升50m懸停。操作者使用手中的控制器，通過(guò)飛行控制桿發(fā)出向上攀升的指令；指令通過(guò)通信頻道傳到飛行器的接收端，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，飛行器的6個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)以執(zhí)行指令，并實(shí)時(shí)傳回信號(hào)，輔助操作者操作；飛行器在到達(dá)預(yù)定位置（通過(guò)操作者手中的操作終端可以確定飛行的位置）后，即執(zhí)行懸停任務(wù)。

4 結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的飛行器主要在控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了改進(jìn)，將飛行器的特點(diǎn)與搜救功能有效地結(jié)合了起來(lái)。飛行器還搭載了GPS模塊，如果意外離開了遙控范圍，飛行器會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的GPS定位點(diǎn)自動(dòng)返航；且能夠利用GPS坐標(biāo)和高度信息設(shè)定一系列路徑點(diǎn)，進(jìn)而按照路徑點(diǎn)自動(dòng)巡航；電池電壓過(guò)低時(shí)則會(huì)自動(dòng)緊急降落等，這些功能使得飛行器更加智能化[8-9]。

現(xiàn)有的飛行器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，完全可以根據(jù)需要進(jìn)行組裝和改進(jìn)，小型飛行器因其方便快捷、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)必然會(huì)在搜救方面得到更好的應(yīng)用[10]。相信日后在探查檢測(cè)、識(shí)別取證、遠(yuǎn)程交流等方面都能看到小型飛行器的身影。

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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

張和華，工程師。

作者郵箱：384835353@qq.com