四川信息職業(yè)技術學院　黃　超　殷萬君　徐　斌　楊　波

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nin無人機保護傘電路控制系統(tǒng)

四川信息職業(yè)技術學院黃超殷萬君徐斌楊波

本文所述的是一種無人機保護傘的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備無人機墜機狀態(tài)下自動彈出保護傘和地面強制打開保護傘兩個功能，同時在打開保護傘前關閉正處于高速運轉電機。該系統(tǒng)主要以stc15w4k56s4為主控芯片，adxl345為姿態(tài)算法傳感器，再通過相關外圍電路，驅動舵機來觸發(fā)保護傘的彈射開關，程序算法部分簡單明了，經測試穩(wěn)定性能較好，外圍電路還有l(wèi)ed提示功能，預留多個接口用于擴展。

無人機；保護系統(tǒng)；保護傘

1.背景

微小型多旋翼無人機具有機械結構簡單、成本低、重量輕、可低空速飛行、可垂直起降、無人員傷亡危險等優(yōu)點，可以廣泛應用于氣象勘測、航空攝影、災后救援、收集信息、精細農業(yè)等領域［1-4］。隨著無人機應用的不斷深入，不同領域與無人機技術不斷融合，不同的一些設備，如航拍、攝影、科研、氣象等相關設備，將會成為無人機搭載的載體。［5-6］為此，設備的安全成為無人機應用領域的一個重要的亟待解決的問題，目前現(xiàn)有市場上常見的保護系統(tǒng)主要為彈射式保護傘，本文主要基于彈射式的保護傘，研發(fā)了一種基于stc15w4k56s4為主控芯片，adxl345為姿態(tài)算法傳感器的保護傘觸發(fā)電路控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器獲得機身姿態(tài)算法，通過算法判斷飛機是否處于墜機狀態(tài)，再通過舵機觸發(fā)彈射保護傘系統(tǒng)。本文提出的簡單傾斜姿態(tài)算法，經測試穩(wěn)定效果較好。

2.項目內容

項目主程序部分主要包含遙控器信號檢測和旋翼機姿態(tài)檢測兩部分，當遙控器強制打開或者判斷旋翼機處于墜機狀態(tài)時，本系統(tǒng)便通過發(fā)送舵機控制指令觸發(fā)保護傘彈射裝置。本系統(tǒng)主函數部分主要代碼如下：

Void main（）

｛

While（1）

｛

gesture（ ）；//姿態(tài)檢測

telecontroller（ ） ；//遙控器強制觸發(fā)檢測

｝

｝

姿態(tài)檢測使用的是adxl345重力加速度傳感器，該傳感器模塊與單片機采用SPI通信，本項目通過無人機姿態(tài)來判斷是否處于墜機或失控狀態(tài)，繼而產生一個舵機控制信號，使舵機產生一個機械動作觸發(fā)保護傘彈射裝置。本項目中要求是當旋翼無人機翼面傾角大于45°時表示處于墜機狀態(tài)，因此需要判斷的是旋翼無人機翼面的水平傾角，adxl345傳感器 Z軸的偏離中心位置的參數剛好可作為旋翼無人機靜態(tài)偏離中心軸角度相關的參數。但是adxl345主要用于采集靜態(tài)狀態(tài)下的傾斜參數，而無人機是一個運動的物體，且抖動頻率較大，還有運動方向及速度大小都不定，基于這樣一種復雜的運動狀態(tài)下，所采集的參數必須做相關算法處理才能準確得出無人機姿態(tài)傾角情況。由于數據是360°三維的采集，adxl345的Z軸數據主要變化范圍-1000-1000，綜合采用的MCU為8位單片機，且判斷機身的姿態(tài)不需要那么精確數據，所以在計算時將采集的數據均縮小10倍再取整，即變化范圍為-100-100，為了進一步便于數據處理，數據每次疊加一個常數N=120，所以采集的數據360°內變換范圍對應輸出數據為范圍為20-220，為了方便實測旋翼無人機飛行中的反饋參數，本系統(tǒng)將采NRF24L01作為無線通信模塊，將采集的參數及時反饋到電腦端進行處理，電腦端采用自行設計的圖表軟件，直觀快捷判斷飛機姿態(tài)。設每次讀取的adxl345參數為x（t），t為對應采集周期下采集的序號，如：假設設置數據采集周期2ms，x（6）表示采集的第六個數據，圖1為采集周期2ms時候的x（t）- t的圖像。

圖1　采集周期T=2ms，x（t）值

從圖可以看出，一般狀態(tài)下，無人機飛行過程中，由于飛機自身因素及外界干擾，或者傳感器自身噪聲，傳感器的采集參數具有一定波動性，有時候出現(xiàn)奇點，有一定離散型，為此，我們提出一種簡易的濾波方案。將連續(xù)采集的n組數據中，最大值與最小值均去掉，取剩余值的平均作為本次采集的反饋值，即：

取同樣采樣周期，n=12測得反饋數據如圖2所示：

圖2　采集周期T=24ms，值

通過反饋結果來看，數據由于系統(tǒng)干擾或者噪聲引起的奇點問題已經解決，數據濾波整形后呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的圖像。不過該結果還不能直接用于作為判斷飛機墜機狀態(tài)下的直接參數，假設是由于無人機急速運動或者大風干擾，短時間影響了飛機姿態(tài)。為了過濾點該種情況，本文采用延時判斷法進行進一步判斷，假設延時為m毫秒，45°邊界觸發(fā)點對應傳感器觸發(fā)參數為K，gesture（ ）核心算法如下：

通過以上多重延時判斷，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，當判斷每次均處于墜機狀態(tài)，表明無人機處于墜機狀態(tài)，打開舵機觸發(fā)信號，觸發(fā)保護傘彈射裝置。

對于遙控器強制打開保護傘功能函數telecontroller（ ）的設計，根據舵機的控制信號規(guī)律，其控制周期為20ms，占空比高電平為1ms-2ms為有效控制指令，對應舵機0-180°旋轉［7-8］，旋翼機接收機每個通道一般發(fā)出的默認信號就是周期20ms占空比高電平為1ms的指令，所以telecontroller（ ）主要用以檢測高電平是否在1ms-2ms之間，且指令周期為20ms，本系統(tǒng)設置，當連續(xù)出現(xiàn)三個連續(xù)的撥動開關脈沖時表示強制開啟觸發(fā)裝置。

3.結論

本文提出的設計方案，可以較可靠的激發(fā)無人機保護傘彈射系統(tǒng)，及時保護旋翼失控無人機。該系統(tǒng)結構簡單，體積小，成本低，也適合搭載及應用。

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四川省教育廳重點項目（15ZA0379），信息學院支撐項目（川信職院科［2015］5號）。

黃超（1987—），男，四川樂山人，碩士，助教，主要從事物聯(lián)網及無人機方面的研究。