嚴(yán)梓揚 蘇成悅 陳金棟 廣東工業(yè)大學(xué)

基于STM32的緊急醫(yī)療救援無人機(jī)系統(tǒng)

嚴(yán)梓揚 蘇成悅 陳金棟 廣東工業(yè)大學(xué)

本文介紹了一種針對當(dāng)前醫(yī)療市場需求設(shè)計的一種用于醫(yī)療急救、應(yīng)急運輸?shù)闹悄芸罩写钶d系統(tǒng)，以解決在短時間內(nèi)克服交通、地形等障礙將應(yīng)急藥物送到急救現(xiàn)場的問題。利用了互補濾波+卡爾曼濾波算法實現(xiàn)無人機(jī)的姿態(tài)控制，并基于此設(shè)計了一種無人機(jī)的自動任務(wù)模式。

無人機(jī) 應(yīng)急醫(yī)療 姿態(tài)控制

1 設(shè)計方案

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)劃好航線并且裝載好物資，然后無人機(jī)將全程自動完成設(shè)定的任務(wù)，基站人員只需要關(guān)注地面站上傳回的無人機(jī)信息，在出現(xiàn)故障或者特殊情況時馬上采取相關(guān)措施即可，直至無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)地點。

2 控制方案的設(shè)計與論證

本飛控使用四元數(shù)互補濾波+卡爾曼濾波實現(xiàn)對姿態(tài)的控制，具體設(shè)計過程如下圖2：

圖2 姿態(tài)算法流程圖

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

經(jīng)過卡爾曼濾波的ACC數(shù)據(jù)雖然已經(jīng)比較穩(wěn)定，但是加速度計自身的零漂會隨著時間而累積，因此我們通過將加速度計數(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以內(nèi)，以達(dá)到控制陀螺儀長時間工作后產(chǎn)生溫漂對最終解算結(jié)果的影響。解算出的三個角度將會被用于更新四元數(shù)，然后通過利用四元數(shù)解算公式：q(n)=q(n-1)*△q求解矩陣，運算解出相對于機(jī)體坐標(biāo)系的歐拉角。

最后，根據(jù)三個傾角的大小輸出對應(yīng)的PWM至4個電機(jī)，完成對飛機(jī)的姿態(tài)控制。

3 自動任務(wù)模式設(shè)計

將上述控制方案應(yīng)用于本系統(tǒng)并通過PC端以及手機(jī)端地面站實時觀看飛控回傳的姿態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)置航點，即可執(zhí)行自動飛行任務(wù)，若地面站人員觀測到無人機(jī)數(shù)據(jù)有異?？闪⒓粗兄谷蝿?wù)。其實現(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)境對緊急醫(yī)療的約束問題。

[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].國防工業(yè)出版社,2014

嚴(yán)梓揚（1996—），男，本科，主要研究方向為：控制科學(xué)與工程。

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

廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金項目（400160017）。