基于六軸飛行器的多功能搜救系統的研制

杜凱，張和華，戴晨曦，張曉武，朱興友，尹軍

1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所 醫學工程科，重慶 400042；2.第三軍醫大學 生物醫學工程系，重慶 400038

基于六軸飛行器的多功能搜救系統的研制

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.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所 醫學工程科，重慶 400042；2.第三軍醫大學 生物醫學工程系，重慶 400038

本文基于普通六軸飛行器設計了一種多功能搜救飛行器，嘗試將小型飛行器應用在救災現場。該搜救飛行器主要由單片機、電源、IPS接口、信號發射和接收裝置、螺旋槳、電機、角速度傳感器、外圍執行和反饋電路、夜航指示燈、可折疊支架等組成，能夠完全適應現代化的搜救行動，有利于搜救人員快速、有效、準確地應對受災情況，節約搜救成本，對于現行搜救系統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；角速度傳感器

0 前言

無人飛行器多年來一直是各國研究的熱點[1-3]。在無人飛行器技術上，除了傳統的固定翼無人飛行器外，多旋翼無人飛行器的應用也逐漸廣泛，尤其是小型多旋翼無人飛行器。小型多旋翼無人飛行器結構簡單、操作靈活，對起飛和降落場地的要求不高，還可實現定點、定高、定時巡航，對復雜地形條件有良好的適應性，而這些特點正是固定翼無人飛行器的短板。

多旋翼飛行器的旋翼越多，其穩定性和載重能力就越強。經過對不同旋翼飛行器性能的考察和實際應用的比較發現，六軸飛行器既能滿足較多場合的實際需求，又能盡可能地節省成本，為此筆者特地制作了一臺小型六軸飛行器。

現行的搜救系統主要由地面搜集隊伍完成整個搜救過程，存在效率低、時效性差等問題；而直升機等飛行器的應用又存在各種限制，實際使用情況并不良好。近幾年來，人們發現了小型飛行器并嘗試將其應用到搜救系統中，但一直沒有太大的進展。本文主要討論將小型飛行器運用到搜救系統的可能性[4-5]。

1 六軸飛行器簡介

目前的無線探測系統已經非常成熟。飛行器主要利用眾多傳感器如氣壓計、陀螺儀、超聲波雷達、GPS等來保證其飛行的穩定性。

普通飛行器主要由動力系統、控制系統和通信系統組成，可以擔負一些基礎任務。對普通飛行器進行升級和拓展，如加載拍攝系統、生命探測系統、圖像識別系統和定位系統等就能實現具體的功能。目前市場上應用到具體領域或具有具體功能的飛行器比較少見，成批量生產和應用的飛行器更是寥寥無幾，因此飛行器具體功能的實現尚有待開發。

2 控制系統組成與工作原理

多旋翼飛行器的核心是控制系統，六軸飛行器也不例外。本研究中，飛行器控制系統以ATMEGA8535單片機為核心，與執行操作的外圍電路和傳感器檢測電路形成一個閉環控制系統。為了進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傳感器來獲取其角度信號，以感知飛行器的當前狀態，并將其反饋到單片機中，與目標狀態進行比較，再融合其加速度傳感器采集的信號一起完成姿態檢測。飛行器姿態的控制是通過PID控制算法實現的，這一過程需要動力系統和通信系統的配合。

本研究設計的飛行器具有承載量大、飛行控制精確和可折疊等特點。首先，飛行器是六軸飛行器，一般來說飛行器的軸數越多，承載量越大，而現在的飛行器多數為四軸飛行器，六軸飛行器普遍較少。其次，飛行器的電源選用6S10000型號10000mA電池，儲存電量大，續航時間長[6]。第三，飛行器采用GPS/北斗雙定位系統，定位極其精確，可以做到經緯度定位、精確懸停、定軌巡航等，完全符合搜救系統對精密度的要求。最后，機架采用可折疊結構，解決了以往六軸飛行器機型大、不方便攜帶的短板。

本研究所設計的六軸飛行器結構示意圖，見圖1。

圖1 六軸飛行器結構示意圖

2.1 控制系統硬件及其結構

基于六軸飛行器的特殊結構和體積小、功耗低、重量輕等特點，飛行器的控制系統設計以單片機為核心，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，使整機總體重量減輕，并盡可能采用功耗低的CMOS元器件，使總機的整體功耗降低。

控制系統結構框圖，見圖2。控制人員通過控制端控制整個系統，通過通信裝置將信號傳送到單片機。根據信號的不同，單片機對動力裝置和功能裝置進行控制。動力裝置主要負責螺旋槳槳葉和調速器的控制。功能裝置中配有生命探測儀、環境監測設備（高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度傳感器等）、有毒物質檢測儀、救災物品和其它通用功能模塊接口（可以接其他傳感器、檢測儀等）。

圖2 控制系統結構框圖

2.2 飛行控制過程的優勢

現有的六軸飛行器控制過程的一般實現方法是單向通信，即由操作者控制飛行器的飛行。本研究設計的六軸飛行器實現了雙向通信，即由控制端發出控制信號，終端執行后返回執行結果和相應的數據（誤差、經緯度坐標、探測信號等），有助于使用者進一步下達操作指令。

六軸飛行器的飛行控制過程與其他飛行器有著不一樣的特點[7]，它通過調節6個電機的轉速來改變其螺旋槳速度，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置。六軸飛行器采用6個固定傾角旋翼，它們與中心的距離相等。對角的一對電機產生形態的升力，可以使力矩達到平衡。6個電機中，3個逆時針旋轉，3個順時針旋轉，可以使飛行器平衡飛行時，豎直方向上的空氣動力扭矩效應被抵消，從而保證六軸航向的穩定。

六軸飛行器旋翼結構示意圖，見圖3。

圖3 六軸飛行器旋翼結構示意圖

6個電機被分為兩組，其中1、3、5電機順時針旋轉，2、4、6電機逆時針旋轉。通過6個電機不同的轉速組合可以實現飛行器的姿態變換，從而實現各種復雜運動。當6個電機同時增速（減速）時，可以實現飛行器的上下平移；當6個電機的升力之和等于飛行器總重時，可以保持懸停；保持旋翼2、5對機身的反扭矩等于旋翼3、6對機身的反扭矩，利用電機2、3與電機5、6控制的旋翼的升力之差使飛行器發生傾斜，可以實現飛行器的前后運動；當1、3、5電機轉速上升，2、4、6電機轉速下降，向左的反扭矩大于向右的反扭矩時，飛行器便在反扭矩的作用下實現了向左的側向運動，向右的側向運動同理。

2.3 飛行器的功能

該飛行器的最大特點在于通過搭載不同的搜救模塊，可以執行周圍環境監測、生命探測、有毒物質檢測和救災物品投放等一系列任務。

（1）周圍環境監測。飛行器上搭載高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度計，攝像頭像素達600萬，主要拍攝物體的運動過程。飛行器飛行到目的地時，通過高清攝像頭、聲音接收器和溫濕度計，可以使操控人員了解周圍的環境。當飛行器靠近障礙物時，會自動進行規避（通過單片機實現），并通過語音提示操控人員，避免飛行器損壞。

（2）生命特征探測。飛行器可以到達救災人員短時間內無法到達的區域，通過打開搭載的生命探測儀進行近距離的生命特征探測，然后將探測到的數據通過通信頻道傳輸到后方救災基地的計算機上，使救災信息中心可以快速精準地了解是否有人員被困，從而縮短營救時間。

（3）有毒物質檢測。飛行器的有毒物質檢測功能為搜救人員提供了很大的便利，如果災區出現有毒氣體，搜救人員未配備防護面具，這將會給搜救人員帶來極其嚴重的傷害。飛行器配備基本的有毒氣體檢測器，可以檢測到可燃性氣體和H2S、CO、HCN、SO2、NH3、HCl、Cl2和H2等10多種有毒氣體。

（4）救災物品投放。飛行器搭載基本的救災物品，如急救藥品、急救用水等，這些物品重量輕，但在救災環境下極其珍貴，是受災人員的救命物品。救災物品投放主要通過飛行器上的救災控制裝置實現，操作人員只需在遠方操作區域點擊投放按鈕即可進行物品投放。

2.4 控制系統軟件優化

六軸飛行器的飛行控制過程復雜，為了提高飛行器的操作精度，需要對不同環境、不同任務下的操作參數進行校正，因此在操作系統上預留的IPS接口就體現出了其優勢，它能夠顯著增加飛行器的適應性。此外，在執行指令的同時，會伴隨有同強度的信號傳輸，為了實現精確控制，需要對不同的信號進行隔離。

2.4.1 在線編程接口電路

該飛行器的平衡控制通過多次實驗進行了修正改進，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個通道的PWM控制信號。

2.4.2 信號隔離電路

在飛行過程中，飛行器電機的轉動會產生較大的沖擊電流和脈沖干擾。為了提高飛行控制系統的可靠性，有必要對ATMEGA8535單片機輸出的PWM信號進行隔離。隔離電路采用ADI公司推出的基于iCoupler磁耦隔離技術的數字隔離器，該隔離器采用高速CMOS工藝和芯片級的變壓器技術，在性能、功耗、體積等各方面都聚具有光電隔離器件無法比擬的優勢。

3 性能測試

對組裝完成的六軸飛行器進行了性能測試，測試結果表明：該飛行器能夠按照操作要求完成規定動作，實現了設計目標。

在此列舉一個實例，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，通過飛行控制桿發出向上攀升的指令；指令通過通信頻道傳到飛行器的接收端，經過信號處理后，飛行器的6個動力發動機進行轉動以執行指令，并實時傳回信號，輔助操作者操作；飛行器在到達預定位置（通過操作者手中的操作終端可以確定飛行的位置）后，即執行懸停任務。

4 結論

本研究所設計的飛行器主要在控制系統方面進行了改進，將飛行器的特點與搜救功能有效地結合了起來。飛行器還搭載了GPS模塊，如果意外離開了遙控范圍，飛行器會按照預先設定的GPS定位點自動返航；且能夠利用GPS坐標和高度信息設定一系列路徑點，進而按照路徑點自動巡航；電池電壓過低時則會自動緊急降落等，這些功能使得飛行器更加智能化[8-9]。

現有的飛行器技術已經非常成熟，完全可以根據需要進行組裝和改進，小型飛行器因其方便快捷、時效性強的特點必然會在搜救方面得到更好的應用[10]。相信日后在探查檢測、識別取證、遠程交流等方面都能看到小型飛行器的身影。

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[4]劉羽峰,寧媛.六軸旋翼碟形飛行器控制系統軟件設計及仿真研究[J].計算機測量與控制,2011,19（5）：1208-1211.

[5]王毅琳.直升機模擬訓練平臺的構建與應用[J].中國醫療設備, 2015,30（3）：24-26.

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[10]王偉,胡鎮,馬浩,等.多旋翼傾轉定翼無人機的姿態控制[J].計算機仿真,2014,31（1）：31-35.

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