定位导航空投救援无人机的设计

马国梁，卢浩东，舒 强，雷国伟， 3

(1.集美大学 理学院，福建 厦门 361021；2.宁德时代新能源科技股份有限公司，福建 宁德 352000；3.北京邮电大学 电子工程学院，北京 100876)

0 引言

近年来，随着国内外对四轴飞行器的研究，四轴飞行器已经家喻户晓。就农用无人机而言，美国、日本和韩国均有所应用，我国起步较晚，以使用无人机进行灭蚊行动为开始在农业方面有所应用[1]。在地测遥感方面，无人机可以实现比较高清图像、数据的获取和传输[2]。此外无人机在公共安全方面已经有了一定的应用，反恐、边防、消防和海事等领域很有应用前景[3]。在国内，小型无人机大部分现阶段用于航拍活动，以及被航模爱好者用于个别任务。在国外，美国发展小型无人机用于军事装备，加强军队的作战能力，并且在21世纪初的战争中大量使用无人机，以减免伤亡[4]。无人机具有可执行高风险、具有人类生理特点的任务，而且成本不高，可以完成的任务类型也多，不容易被发现等优点[5]；同时也有生存率、可靠性等方面的缺点，由于无人机体型轻小，易受风力影响，有学者提出了SFA飞行方法来降低事故[6]。

四旋翼无人机的研究，跨越多个学科，在现实应用中有十分重要的意义。对无人机的研究主要围绕4个方面：① 如何设计动力装置及能源优化，以提高其续航能力[7]；② 研制高性能的飞行控制器[8]，研究高效的飞行控制算法[9]，提高飞行过程中的稳定性；③ 借助导航和各种传感器，增强飞行的安全与避障功能[10]；④ 规模化、实用化研究。本文的主要工作就是研发一款四旋翼飞行器，能够实现自动空投救援等功能。通过软件调试、硬件设计，制作出一个较为轻便的有救援意义的四轴飞行器系统。不仅能够实现飞行器的正常飞行和携带物资，还有助于各种灾后救援行动，以及野外考察救援等。尤其对灾害系数高、状况不明的环境更加灵活，减少伤亡。

1 飞行器结构原理

与传统飞行器相比，其结构比较别致，是一个不管横纵都是对称的、按X字形呈90°依次排列的交叉结构。飞行器在X字形尾端有4个电机和螺旋桨，通过平衡4个电机带动螺旋桨所产生的拉力实现稳定悬停和飞行等一系列动作[11]。四轴飞行器有4个输入力与多个传感器，被单片机实时控制，能在短时间内静态飞行。

四轴X型结构实际上是人们熟悉的笛卡尔坐标系，如图1所示，对应数学上的X轴和Y轴。正如前面所讲，四轴有4个螺旋桨，每个轴的终端有2个螺旋桨，旋转方向相同，而相邻的旋转方向必须相反。顺时针旋转的螺旋桨叫反桨，逆时针旋转的叫正桨。

图1 笛卡尔坐标系

根据经典物理学受力分析可知，同时增加四旋翼输出功率，旋翼总的拉力增大，足以克服整机的重量时，无人机将会被拉力拉起，反之，则在重力作用下落地。而要使无人机进入悬停状态，只要控制浆的拉力和重力之间的平衡即可。在此过程中垂直起降的关键在于同时驱动电机。当4个电机带动螺旋桨转动转速相同时，螺旋桨旋转上带来的一个相反作用力将抵消，避免飞行器原地不停转圈。

2 外设模块

外设模块主要由负责空投救援物资的空投模块h和负责控制与导航作用的飞控模块2部分组成。

2.1 空投模块

2.1.1 电路设计

设计思路：模块能够接收到人体信号，并处理信号，做出空投动作。在这个过程中，考虑到无人机不易被发现，在空投时会伴随警报，一则躲避重物，二则寻找机会空投。设计原理如图2所示。

图2 空投模块电路设计原理

空投模块主要的组成部件包括：

① STC89C52单片机：自动门的中心处理器，检测红外模块信号发出相应指令，指挥步进电机、LED指示灯及蜂鸣器等工作；

② 热释电红外模块：负责探测外部红外辐射，当人进入其辐射范围时，就输出高电平，由单片机接收；

③ 步进电机：提供转动空投箱的主动力，控制空投箱转动固定角度；

④ LED指示灯：多种闪烁方式提示空投的工作状态；

⑤ 蜂鸣器：进行空投时伴随响声，起警示作用；

⑥ 2个外部按钮：控制空投箱手动投放或自动投放。

根据图2在PCB板绘图软件中绘制出电路图如图3所示。调整大小打印在热转印纸上，切割合适大小的铜板，将电路转印到铜板上，通电腐蚀之后，用打孔机打孔。完成PCB板之后，焊接相应器件，再将该器件与烧写后的单片机相接，最后上电测试，观察能否达到预期的效果。

2.1.2 热释电红外传感器

热释电红外探头具有以下优点：工作功率小、不容易受干扰，而且很小很隐蔽，最重要的是便宜。热释电红外传感器的工作原理：当有人在传感器的感应范围内时，传感器传出3.3 V的高电平，当人离开传感器范围时，呈现低电平，以此来给处理器提供有人或者无人的信号[12-13]。传感器的结构如图4所示。热释电红外传感器对人体的辐射信号最为敏感。

图3 空投模块PCB电路

图4 热释红外线传感器内部结构与电路

2.1.3 步进电机

本模块中，单片机输出低电平有效，所以在接入步进电机之前，还需要电机驱动—ULN2003[14]，步进电机电路原理如图5所示。电机驱动的工作原理：接收脉冲信号后，分配信号，放大功率，输出给步进电机，步进电机工作带动负载。在图5中，可知步进电机由四相电平控制，对四相的电平组合时序，就可以驱动步进电机工作。

该步进电机的驱动电压为12 V，步进角为7.5°，一圈360°，需要48个脉冲完成。电机有6根引线，排列次序如下：1：红色、2：红色、3：橙色、4：棕色、5：黄色、6：黑色。采用51单片机驱动ULN2003的方法进行驱动。ULN2003的驱动直接用单片机系统的5 V电压，可能力矩不是很大，可自行加大驱动电压到12 V。

图5 步进电机电路原理

2.2 飞行控制模块

2.2.1 飞控与安装

目前，市面上可供使用的飞控器如表1所示。

设计中选用APM作为飞行控制器。APM由控制和导航2个PID级调控，即2级搭配解析信号，完成控制电机的功能[15]。震动对于飞控影响较大，因此需要搭配减震板来减少震动带来的影响。APM板载的气压计对温度敏感，所以气压计上覆盖黑色海面遮光，也避免气流对气压计的影响。信号接收模块固定在飞控旁边，连接APM输入端作为接收遥控器信号的天线。电调焊接完成后连接线接入APM输出端。固定完成后检查牢固性。

表1 各种飞控对比结果

2.2.2 Mission Planner安装与调试

APM飞控自驾仪通常是通过地面站Mission Planner来进行设置、调试、安装固件等[16]。首先是固件的刷入，通常情况下已经有基础固件在内。建议安装中文版Mission Planner，打开地面站，连接开关在主页的右上角。升级安装固件有手动模式和向导模式，向导模式会一步一步指引安装，在软件中找到“安装固件”，软件会在连接网络的情况下，从网上下载最新的固件。选择与自身无人机机型吻合的样式下载，完成后连接，接下来的步骤自动完成，等待即可。固件刷写完成后就进行调试，最主要的调试步骤是遥控器校准的调试、加速度计校准的调试以及罗盘校准的调试。

3 系统集成与试验结果

3.1 硬件

硬件系统由3部分构成：飞机机架、动力系统以及外设。电调板在机架中有很重要的地位，如果把机架比作骨干，那么电调就是血管。电调板的焊接如图6所示。

图6 电调焊接图

首先，飞控搭载传感器，配合减震板，用螺丝固定，调整线束固定。注意检查稳定性是否牢固。对于动力系统，通俗地讲就是电池和电机的匹配。电机一般采用无刷直流电机，选用4个适配的电调，以及选用能量高密的锂电池比较适合。

然后，将外设中的GPS连接好线束，如图7所示，底座用十字栓固定。GPS模块对于APM而言是一个外置罗盘，可以辅助飞行器进行定位。在罗盘校准时也需要校准外置罗盘。GPS在无人机上的作用体现在通过GPS返航。当GPS连接好之后，GPS会搜索卫星信号。定位下起飞点，选择GPS返航，飞行器会升高，落回之前标记的点。

图7 GPS外设模块

外设模块的空投装置由2个热释电红外传感器连接单片机，作为信号出入，步进电机和LED灯连接单片机输出端，步进电机作空投箱，发光二极管作为指示灯。释放空投的同时伴随蜂鸣器响声。

3.2 软件

软件系统由2部分构成：空投模块外设的51单片机编程以及APM飞控的调试，空投模块程序主要了解步进电机如何使用，对步进电机4个输入口编码，可用0x80，0x40，0x20，0x10编码，根据电机性能，这4个一次循环，则转动一周，反向运行，则是对4个逆向再运行一次。APM飞控的调试主要通过地面站调试。校准遥控器、加速度计和罗盘等功能的调试完成后，即在软件部分准备完成。

3.3 实验结果

3.3.1 实验演示

无人机在空中平稳飞行时的图片如图8所示，在空中触发空投瞬间的图片如图9所示，图中方框标出的为空投箱，此时为空投发生瞬间捕捉的照片。

图8 飞行工作图

图9 飞行投掷瞬间

3.3.2 空投效率

空投效率在本次实验中，定义为符合本次实验范围内的空投释放的成功率。感应到人，释放空投，即算作空投成功。同时在空投过程中，会伴随警报。空投模块主要依赖于热释电红外传感器的工作情况。对人的效果来说，人相对于传感器的运动方向也有影响。若以传感器为圆心，径向移动时最不敏感，垂直于传感器运动最为敏感，这于飞行器实际情况相适应。经过多次模拟空投测试得出的空投适应高度图如图10所示。

图10 飞行器空投触发率与人距离关系曲线

从图10可知，当前灵敏度的传感器，对于空投有效范围约在2～3 m，是最容易触发空投的，4 m之外的人偶尔会触发空投，在报警的辅助下，也能够完成物资的投放。当距离很短时，触发空投的情况不稳定，由于受感应面过大，有时传感器会认为该信号不是正确信号。必须说明的是，设计中使用的传感器受到本身品质、调节的灵敏度以及安装位置的影响，加上实验场地的光线等外部因素，图10数据仅供参考。

4 结束语

本文设计基于51单片机实现四旋翼无人飞行器的控制，使飞行器在空中可以实现垂直起降、悬停飞行、变向飞行以及GPS返航。在遇到人时，会自动感应并进行空投任务，任务过程中伴随警报以便提醒人群，任务执行结束后警报解除。该成果已用于地震等灾后救援，基本符合预期目标。设计还有些需要改进的地方，飞行器由2个系统组成，对飞机负担较大，影响飞行的稳定性，也无法实现大型空投运输。此外，飞行器受天气影响较大，空投准确率不够稳定。