嚴(yán)梓揚(yáng) 蘇成悅 陳金棟 廣東工業(yè)大學(xué)

基于STM32的緊急醫(yī)療救援無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

嚴(yán)梓揚(yáng) 蘇成悅 陳金棟 廣東工業(yè)大學(xué)

本文介紹了一種針對(duì)當(dāng)前醫(yī)療市場(chǎng)需求設(shè)計(jì)的一種用于醫(yī)療急救、應(yīng)急運(yùn)輸?shù)闹悄芸罩写钶d系統(tǒng)，以解決在短時(shí)間內(nèi)克服交通、地形等障礙將應(yīng)急藥物送到急救現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題。利用了互補(bǔ)濾波+卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制，并基于此設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)的自動(dòng)任務(wù)模式。

無(wú)人機(jī) 應(yīng)急醫(yī)療 姿態(tài)控制

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要工作原理如下圖1：

圖1 整體方案設(shè)計(jì)流程圖

由上圖1可知，當(dāng)傷病員或者救護(hù)人員提出需求后，基站的處理人員只需要馬上規(guī)劃好航線(xiàn)并且裝載好物資，然后無(wú)人機(jī)將全程自動(dòng)完成設(shè)定的任務(wù)，基站人員只需要關(guān)注地面站上傳回的無(wú)人機(jī)信息，在出現(xiàn)故障或者特殊情況時(shí)馬上采取相關(guān)措施即可，直至無(wú)人機(jī)到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。

2 控制方案的設(shè)計(jì)與論證

本飛控使用四元數(shù)互補(bǔ)濾波+卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)的控制，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下圖2：

圖2 姿態(tài)算法流程圖

由于加速度計(jì)是一種線(xiàn)性傳感器，伴隨的噪聲會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此先使用卡爾曼濾波對(duì)其進(jìn)行降噪處理。通過(guò)對(duì)先驗(yàn)估計(jì)X(k-1)和加權(quán)變量Z(k)及其預(yù)測(cè)HX(k)之差的線(xiàn)性組合構(gòu)成后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)X(k)，其基本模型方程為：

經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波的ACC數(shù)據(jù)雖然已經(jīng)比較穩(wěn)定，但是加速度計(jì)自身的零漂會(huì)隨著時(shí)間而累積，因此我們通過(guò)將加速度計(jì)數(shù)據(jù)和陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合：

一般陀螺儀權(quán)重占比控制在0.05以?xún)?nèi)，以達(dá)到控制陀螺儀長(zhǎng)時(shí)間工作后產(chǎn)生溫漂對(duì)最終解算結(jié)果的影響。解算出的三個(gè)角度將會(huì)被用于更新四元數(shù)，然后通過(guò)利用四元數(shù)解算公式：q(n)=q(n-1)*△q求解矩陣，運(yùn)算解出相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的歐拉角。

最后，根據(jù)三個(gè)傾角的大小輸出對(duì)應(yīng)的PWM至4個(gè)電機(jī)，完成對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)控制。

3 自動(dòng)任務(wù)模式設(shè)計(jì)

將上述控制方案應(yīng)用于本系統(tǒng)并通過(guò)PC端以及手機(jī)端地面站實(shí)時(shí)觀(guān)看飛控回傳的姿態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)置航點(diǎn)，即可執(zhí)行自動(dòng)飛行任務(wù)，若地面站人員觀(guān)測(cè)到無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)有異?？闪⒓粗兄谷蝿?wù)。其實(shí)現(xiàn)思路如下圖3：

4 結(jié)論

本系統(tǒng)可以一定程度上促進(jìn)無(wú)人機(jī)在應(yīng)急醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，優(yōu)化當(dāng)前特殊地形環(huán)境對(duì)緊急醫(yī)療的約束問(wèn)題。

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ),上[M].人民教育出版社,1981

[2]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[J].200

[3]憲三野波.自主飛行機(jī)器人[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2014

嚴(yán)梓揚(yáng)（1996—），男，本科，主要研究方向?yàn)椋嚎刂瓶茖W(xué)與工程。

蘇成悅（1961—），男，通訊作者，博士，教授，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用物理與控制技術(shù)。

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（400160017）。