基于Arduino的多功能无人机搜救功能设计与实现

孙正　朱学玲

【摘 要】本文是拟基于Arduino平台进行方案设计、开发及实现，在无人机基本功能上进行拓展与开发，致力于将无人机作用更大化，更多应用于实际生活，开发功能包括驱鸟、信息传输、搜救以及高空作业。本文将主要介绍多功能无人机设计当中的搜救功能的设计与实现部分。该平台开发成本低、功能性强，对无人机发展及项目预研具有创新意义。

【关键词】Arduino;无人机;功能开发;搜救

中图分类号： V279 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.010

目前，我国的无人机的发展正处于快速发展时期，无人机在技术层面不断提高，涉及的领域也在不断扩大，这些领域主要涉及到农业、林业植物保护、电力检查、石油管道安全问题排查、物流快递中、土地测绘上、气象探测上、森林火灾预防、警方的巡逻、海洋遥感技术等，此类无人机的专业性较强，但大多以PC机作为控制平台，这不但大大限制了无人机的便捷使用而且对使用者要求高，需要一定的专业性。传统的无人机功能性单一，综合应用能力差并且价格昂贵，控制方面也比较不足，通道数少，综合目前无人机优缺点，本文提出了基于Arduino平台的无人机设计开发。

1 基于Arduino平台开发的优点

Arduino可能大部分人不是很熟悉，它与C++、java等语言相比更加的简单、实用性能更高，具有丰富的接口，它没有复杂的单片机底层代码，让使用者能够更容易地去理解与应用，也没有难以理解的程序集，只是简单实用的功能。它不但有一个简单的编程环境IDE，可以很容易地使用，连Arduino相关的一些软硬件都是完全开源的，这更为我们的后续开发提供了便利。基于Arduino开发较之其他，能以较低成本开发出普通Android系统手机即可操纵的航空模型，便捷、实用性强，且后期还能自行设计操控器模型，由于通道数多能轻松执行后期各项拓展任务。

2 控制原理

2.1 飞行控制

在控制原理部分，身为无人机最为重要的莫过于飞行控制了，飞行控制主要分为地面控制和无人机空中接收端，两个不同的部分互相配合，当无人机空中接收端接收到来自于地面控制端的命令后开始执行。地面控制部分是从安卓控制端（如手机）获取控制信号，即获得不同的即时电压（如前向和后向的控制），并获得模式转换后各个通道的值。得到的数值首先要经过编码转换，再通过XBee-Pro900M这个无线收发模块也就是我们常说的蓝牙模块来进行发送。

XBee-Pro900M收发模块在接收到信号后，将其发送到Arduino主板，此时，主板进行指令解析并将之转换为飞控使用的PWM信号，飞控就可以控制无人机完成前进、后退等飞行动作。无人机主体流程图如图1所示：

2.2 通讯控制

在控制执行部分，飞行器可以执行空中拍摄，通过MAC视频传输协议将视频实时传输，该协议结合无人机网络动态性强、节点密度小的特点，采用具有多个RTS周期、单个CTS周期和协调信道竞争机制的特殊时隙结构。同时还能够将当前环境的温湿度等信号实时显示在操控平台上。将视频图像、温湿度信号传输回控制端，便于掌握无人机当前飞行环境与操作需要的一些其他功能，如：在驱鸟时，应实时掌握机场或农场鸟类情况;在擦拭高楼外墙体玻璃时，实时掌握无人机工作环境及擦拭情况等。

2.3 搜救控制

每年我国都会因自然灾害导致严重经济损失和人口伤亡，而大部分伤亡都是因为救援不及时导致的。人工搜索速度慢、安全性低，还可能造成二次伤亡。而无人机搜救则完全没有这方面的缺陷，搜索速度快、没有二次踩踏，体积小，搜索范围广、深度较人工更深入。

2.3.1 工作原理

搜救功能应用人体红外传感模块，它通过热释电效应产生特定信号进行工作。

当一些晶体受到外部热量时，晶体上会产生相同数量的相反电荷。这类由于受到外部热量变化而引起的电荷产生现象也就是电极化就被我们称之为热释电效应。人体红外传感器上的半球形盖子叫做菲涅耳透镜，它是根据菲涅耳原理制成的，菲涅耳透镜的作用类型分为两种：折射型和反射型，它的第一种类型是通过将热释后的红外信号折射（反射）在人体红外传感器PIR（Passive InfraRed）模块上称之为聚焦作用;第二种类型就是将检测的区域化分为了很多个明区和暗区，这就使得当有移动中的物体在进入到检测区域中，在通过明区和暗区的过程中就会以温度变化的形式在PIR上产生相应变化的热释红外信号。这样一来PIR就能产生相应变化的电信号，进而提高了灵敏度。

无人机搜救通过PIR模块进行探测受灾群众的大致位置。我们都知道每个人的体温基本都保持在37度左右，但也会发射出我们人眼无法观测到的10UM左右特定波长的红外线，这时红外探测器就是通过检测这些红外线来进行工作的。菲泥尔滤光片就像一个放大镜一样增强了我们体内发射出的红外线信号，并使其聚集在了红外传感器上。红外传感源通常使用的都是热电元件，當它们接收到人体红外辐射温度的变化时会失去电荷平衡，电荷被检测到以后通过一系列的处理产生提示信号。

在特定场合需要执行搜救任务时，由地面控制端发出信号，指定搜救模块即人体红外探测，再经由无人机端Arduino主板进行指令解析，给人体红外探测模块发出指令并开始工作，当检测到异常时，将该信号记录并返回给地面控制端，地面控制端收到信息警报器报警，并将信号显示在控制器上如安卓手机控制器显示屏。

2.3.2 模块特性

PIR模块也就是人体红外传感器（图2）主要是用来检测人体发出的辐射红外线。因此，这些充当红外探测模块传感源的热电元件就必须对波长约为10MU的红外辐射非常敏感才行。然而又为了仅对人体的红外辐射敏感，在其辐射表面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，从而才能显著地降低环境的干扰。被动红外探头内包含的热电元件是两个通过串联或并联方式连接。环境对其产生的影响被相互抵消，因为它们都产生作用，最为重要的是电极化方向完全相反。当有人出现在探测区域，人体发出的红外辐射由于作用在模块上的热量不同，所以产生的热释电也不同不能被抵消，通过检测发出提示信号。根据菲泥尔滤光片的性能不同，所带来的焦距也是不完全相同的，这就是所谓的感应距离了，才近而产生不同的监测视场，视场越多的话，也就越是严密。

2.3.3 实现方法

人体红外模块有三个引脚，分别为VCC、GND、OUT，OUT接在飞行模块自定义的I/O引脚上，探测信号通过蓝牙模块将数据传输回控制端，控制端可自行定义音频或声光用来接收传输回的高低电平信号，用来接收检测。

2.3.4 应用场景

多功能无人机的搜救功能，由于人体红外感应模块的局限性，应在灾害（如：地震）发生不久便应投入使用，因为该模块只能检测活动的人体信号，灾害发生时间过长，可能受灾群众会导致昏迷或因体力消耗过大无力发出求救信号。

2.3.5 人体红外感应具体代码

int Sensor_pin = 2;

int Buzzer_pin = 3;

void Alarm（） //蜂鸣器发出警报

{

for（int i=0;i<100;i++）

{

digitalWrite（Buzzer_pin，HIGH）; //将变量值置高，发声音

delay（2）;

digitalWrite（Buzzer_pin，LOW）; //将变量值置低，不发声音

delay（2）; //修改延时时间，改变发声频率

}

}

void setup（）

{

pinMode（Sensor_pin，INPUT）;

pinMode（Buzzer_pin，OUTPUT）;

}

void loop（）

{

int people_pin=digitalRead（Sensor_pin）; //定义参数用来表示人体红外传感器检测到的状态

if（people_pin== 1） //如果检测到有动物运動（在检测范围内），蜂鸣器发出警报

{

Alarm（）;

}

else { return; }

delay（100）; //延时100毫秒

}

3 拟解决问题

指令传输及时——由于无人机运用的是无线传输模式，及时响应就显得尤为重要，我们的飞机将使用一对功率为250mW的XBee-Pro900M无线收发器模块。它们用于连接地面控制板MCU和连接到飞行控制的MCU。配备了原装天线，最远的链路范围可以达到近乎10KM，这与传统遥控器相比，控制距离得到了非常大的提高。

失控保护——普通的飞行器，在遭遇一些突发情况时，可能导致无法飞行，坠机等情形，可以通过增加一个失控检测设备来避免这种情况的发生，在Arduino芯片中增加一个定时器中断，设置好间隔时间，检测在间隔时间内有没有收到相应指令，正常情况下设置的时间一般为1秒，因为飞行器在一秒内可以接收50条指令，如果一秒内没有接收到指令，完全可以判断无人机进入失控状态，此时将无人机设置为空中悬停状态，原地等待，如果经过20秒之后没有收到地面控制系统的指令，则开启自动返航模式。

【参考文献】

[1]王晓伟，李伟，王琦.小型无人机在机场驱鸟工作中的应用[J].山东工业技术，2017（11）：278.

[2]丁剑桥，蒋美其，彭华洲.驱鸟草技术在机场的应用探讨[J].科技创新导报，2012（35）：240-241.

[3]翟代廷.无人机遥感技术在地质灾害监测中的应用[J].世界有色金属，2018（17）：279+281.

[4]毛勇忠，徐刚，丁晨.消防无人机的应用助力消防灭火救援工作[J].中国管理信息化，2018（23）：176-178.