基于多級(jí)定位的無(wú)人機(jī)搜救系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷原 伍煜亮 陸珍萍 翁宗龍

廣西大學(xué) 廣西南寧 530000

1 項(xiàng)目研究的意義及其國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，依托各項(xiàng)綜合技術(shù)成果研制的無(wú)人機(jī)日趨成熟，在民用領(lǐng)域，特別是搶險(xiǎn)救援中其發(fā)揮著重要作用[1]。

近些年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)搜救系統(tǒng)進(jìn)行了研究。例如東北林業(yè)大學(xué)的學(xué)生設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)人機(jī)的GPS全球定位系統(tǒng)和圖像語(yǔ)義分割自識(shí)別系統(tǒng)，營(yíng)救人員獲取無(wú)人機(jī)傳輸?shù)膱D像資料對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行救援遙控控制[2]；法國(guó)Helper公司制造的“Helper”無(wú)人機(jī)往溺水人員附近，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)傳回畫面，對(duì)落水人員及其周圍環(huán)境進(jìn)行初步甄別，確定溺水人員位置后，無(wú)人機(jī)向溺水人員投放其攜帶的救生圈[3]；但是，以上水上救援方法都具有一定的局限性，如溺水人員落水時(shí)經(jīng)常發(fā)生掙扎行為，造成人員分辨不清晰的后果，致使投放不夠準(zhǔn)確；或是無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主定位，還需人工遙控等。相關(guān)研究認(rèn)為無(wú)人機(jī)應(yīng)當(dāng)突破自主導(dǎo)航、穩(wěn)定控制、自主起降、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

相對(duì)傳統(tǒng)的水上救援方案，我們?cè)O(shè)計(jì)的搜救型無(wú)人機(jī)結(jié)合其優(yōu)越的系統(tǒng)性能，可快速、高效、便捷地在湍急的河道上空對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行定位與救援，具有更加智能化、成本低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)。本無(wú)人機(jī)搜救系統(tǒng)同樣也支持在地面運(yùn)輸工具無(wú)法展開(kāi)救援行動(dòng)的情況下將必要的食品、藥品等物資投放給在山區(qū)等偏僻地區(qū)的迷途人員。且在災(zāi)情發(fā)生時(shí)，也可通過(guò)無(wú)人機(jī)自主投放物資用品等幫助遇險(xiǎn)人員自救，并協(xié)助救援隊(duì)順利完成救助任務(wù)。

一級(jí)定位過(guò)程實(shí)現(xiàn)方案：當(dāng)求救人員按下所示便攜式裝備上的電源開(kāi)關(guān)后，此裝備中集成的GPS模塊通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊將經(jīng)緯度定位信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)地面站控制系統(tǒng)規(guī)劃出無(wú)人機(jī)到達(dá)定位點(diǎn)的最短航線后，再通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊發(fā)送指令，控制無(wú)人機(jī)啟動(dòng)并執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)。

二級(jí)定位過(guò)程實(shí)現(xiàn)方案：無(wú)人機(jī)到達(dá)初步定位區(qū)域后，將通過(guò)UWB模塊測(cè)距，完成對(duì)搜救目標(biāo)精準(zhǔn)定位。飛控鎖定目標(biāo)后，通過(guò)I/O口輸出PWM信號(hào)控制舵機(jī)，完成投放。

UWB模塊定位系統(tǒng)基于無(wú)線超窄脈沖技術(shù)。該定位系統(tǒng)相對(duì)無(wú)線定位領(lǐng)域內(nèi)的其他產(chǎn)品，具有定位精度高，性能穩(wěn)定和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。UWB模塊有“基站”和“標(biāo)簽”兩種工作模式，根據(jù)三邊測(cè)量法的原理，通常建立有一標(biāo)簽，三基站式的定位系統(tǒng)，以及一標(biāo)簽，四基站式的定位系統(tǒng)等。但基于本項(xiàng)目對(duì)無(wú)人機(jī)空中定位的特殊要求與條件，我們建立了一標(biāo)簽，一基站式定位系統(tǒng)，其大致工作原理如圖1所示。

圖1 基于UWB的定位算法原理圖

無(wú)人機(jī)沿單方向飛行并實(shí)時(shí)測(cè)量出飛機(jī)同目標(biāo)點(diǎn)的距離S，由點(diǎn)到直線的距離變化趨勢(shì)可知S先變小，后變大。既在單一方向上存在一個(gè)距離最小值，當(dāng)測(cè)距模塊檢測(cè)到距離變化拐點(diǎn)時(shí)，無(wú)人機(jī)將減速并朝向目標(biāo)點(diǎn)的一側(cè)轉(zhuǎn)向90度，由此產(chǎn)生制動(dòng)距離x，x的大小隨著無(wú)人機(jī)不斷接近目標(biāo)點(diǎn)而逐次遞減。預(yù)設(shè)最大允許投放距離為a，則當(dāng)無(wú)人機(jī)垂直投影到目標(biāo)點(diǎn)的水平距離d在區(qū)域（0，a]內(nèi)時(shí)，表明無(wú)人機(jī)已到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，完成定位。

在程序中，我們的實(shí)現(xiàn)方法為：飛控搭載UWB模塊，在起飛任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行后，UWB模塊將測(cè)得的距離值大小反饋給飛控，飛控通過(guò)判斷前后兩次數(shù)值大小得到距離的變化趨勢(shì)q，當(dāng)q＞0時(shí)，飛控調(diào)轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)飛行方向角180度。當(dāng)q＜0時(shí)，飛控保持水平，且以直線方向飛行，此時(shí)q值變大且趨向于0。當(dāng)q=0時(shí)，飛控以上一次轉(zhuǎn)角方向?yàn)榛鶞?zhǔn)使無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)向90度并保持直線飛行，此時(shí)q值變化使飛控重新執(zhí)行判斷命令。直到水平距離d滿足下式：

其中，a為系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，表示無(wú)人機(jī)同目標(biāo)點(diǎn)間的最大可投放距離。h為無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)相對(duì)高度，由飛控搭載的超聲波模塊測(cè)得。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)可投放區(qū)域后，飛控調(diào)整模式轉(zhuǎn)換為懸停模式，并通過(guò)I/O接口向舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)，使單片機(jī)控制舵機(jī)完成投放動(dòng)作。

2 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于GPS和UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)多級(jí)定位，精度高穩(wěn)定性強(qiáng)，且UWB模塊功耗低，易于集成在電子手環(huán)，工程帽等裝置中，方便人們?nèi)粘y戴以在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)即時(shí)使用，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。