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        用于航模探空火箭的遠(yuǎn)程控制發(fā)射與全程跟蹤系統(tǒng)的研究

        2016-10-18 09:10:55項(xiàng)曉強(qiáng)許耀華
        科技傳播 2016年13期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        項(xiàng)曉強(qiáng),陳 冉,許耀華

        安徽大學(xué),安徽合肥 230601

        用于航模探空火箭的遠(yuǎn)程控制發(fā)射與全程跟蹤系統(tǒng)的研究

        項(xiàng)曉強(qiáng),陳冉,許耀華

        安徽大學(xué),安徽合肥230601

        目前社會(huì)的生產(chǎn)生活中,航模探空火箭已經(jīng)運(yùn)用到社會(huì)的各個(gè)方面,如軍用靶機(jī),人工降雨,地形勘探等等。但是從目前來(lái)看,航模探空火箭目前還存在著許多問(wèn)題。目前航模探空火箭的發(fā)射都是人工點(diǎn)火,且距離較為接近,具有一定的危險(xiǎn)性。除此之外,探空火箭后,由于其速度較快,升空后高度較高,往往無(wú)法觀測(cè)到火箭發(fā)射后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及確定火箭降落后的定點(diǎn)位置。因而,本系統(tǒng)主要是解決這兩類問(wèn)題,采用無(wú)線遠(yuǎn)程控制發(fā)射以及APM飛控+GPS全程監(jiān)測(cè)火箭的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),從而完成對(duì)探空火箭的全程跟蹤。

        無(wú)線遠(yuǎn)程控制;APM;GPS;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與全程跟蹤

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

        整個(gè)系統(tǒng)分成遠(yuǎn)程控制發(fā)射和全程跟蹤兩大模塊。遠(yuǎn)程控制模塊以STC89C52和Siliconlab單片機(jī)為主控芯片,主要分成定時(shí)、電源,交互、串口通信以及繼電器等4個(gè)小模塊,并構(gòu)成主機(jī)和副機(jī)兩大分模塊。遠(yuǎn)程控制模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)主機(jī)的定時(shí)顯示,并在時(shí)間到達(dá)時(shí),由串口通信模塊像副機(jī)上的通信模塊發(fā)送脈沖信號(hào),并在此時(shí)點(diǎn)火火箭,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛控和GPS作為主要組成部分,并結(jié)合上位機(jī)軟件Mission Planner實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭的全程跟蹤?;鸺l(fā)射后,可在Mission Planner軟件界面上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火箭的速度、高度、升降速度、與航點(diǎn)距離以及火箭在GPS全球定位地圖上的精確位置。除此之外,本系統(tǒng)還可以利用APM飛控自帶的陀螺儀來(lái)調(diào)節(jié)火箭在發(fā)射前的姿態(tài),從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的豎直發(fā)射。

        2 遠(yuǎn)程控制發(fā)射部分設(shè)計(jì)

        2.1主控芯片

        根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52RC 40I LQFP44,我們采用此芯片作為系統(tǒng)定時(shí)、計(jì)數(shù)、顯示功能的實(shí)現(xiàn),以該芯片為中心,結(jié)合定時(shí)模塊、串口通信模塊、繼電器模塊,從而構(gòu)成整個(gè)大系統(tǒng)模塊。該芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格較低,應(yīng)用廣泛,以常用的C語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言,為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。

        2.2定時(shí)模塊

        在火箭發(fā)射指令下達(dá)之前,需對(duì)指令進(jìn)行一定的延時(shí)。本系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)主機(jī)實(shí)現(xiàn)延時(shí),從而控制火箭的發(fā)射時(shí)機(jī)。系統(tǒng)采用的是紅外控制的方式來(lái)控制單片機(jī)進(jìn)行有選擇性的定時(shí)。定時(shí)時(shí)間范圍為0s~9s。定時(shí)時(shí)間的選擇由發(fā)射者從紅外遙控器的選擇上來(lái)確定[1,3]。

        2.3遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

        整個(gè)系統(tǒng)的方案圖如圖1所示,當(dāng)操控者選擇了所需要的時(shí)間時(shí),單片機(jī)定時(shí)器模塊開始倒數(shù)計(jì)數(shù),同時(shí)并在顯示器上顯示:choosetime_s,Areyousure?當(dāng)計(jì)時(shí)器到達(dá)零點(diǎn)后,芯片即通過(guò)串口通信模塊向以Siliconlab為主控芯片的C10x模塊發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào),同時(shí)C10x將此信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)方的副機(jī)(接收機(jī)),主機(jī)與副機(jī)都會(huì)想起蜂鳴器警報(bào)[2,3],副機(jī)并同時(shí)為繼電器通電,從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電路的連通。

        3 全程跟蹤模塊

        3.1APM模塊

        APM是ArduPilot Mega系列飛控的簡(jiǎn)稱,由美國(guó)3DRobotics設(shè)計(jì),此產(chǎn)品全兼容于Arduino。本系統(tǒng)利用飛控的控制以及數(shù)據(jù)反映的特性,用來(lái)檢測(cè)探空火箭的高度、速度、位置等精確的物理信息。本系統(tǒng)采用的是APM飛控。APM飛控系統(tǒng)是國(guó)外的一個(gè)開源飛控系統(tǒng),能夠支持固定翼,直升機(jī),3軸,4軸,6軸飛行器。在此,我們只使用它的數(shù)據(jù)分析與采集的功能來(lái)記錄探空火箭的高度、平衡速度、升降速度等精確信息。

        APM主控芯片Atmega1280是AVRVI設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。Atmega1280作為APM飛控的主控芯片,由于APM的商用開源特性,因而我們可以根據(jù)一些特定的需要,修改芯片當(dāng)中已燒錄的程序,也可根據(jù)不同環(huán)境使用需要,修改部分參數(shù)。

        3.2GPS模塊

        經(jīng)過(guò)多次論證,本系統(tǒng)采用的是U-blox公司生產(chǎn)的NEO-6M GPS模塊。ATK-NEO-6M-V2.3(V2.3是版本號(hào))是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組。由于其自帶的優(yōu)秀特性,我們采取該型號(hào)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)在全球定位系統(tǒng)的地圖上對(duì)火箭的實(shí)時(shí)追蹤??梢詽M足各種配置需求。模塊還自帶可充電后備電池。

        3.3上位機(jī)Mission Planner

        Mission Planner,由Michael Oborne開發(fā)。其主要用于與APM飛控匹配,作為APM飛控的上位機(jī)軟件。其在本系統(tǒng)中主要作用是用來(lái)顯示APM模塊和GPS模塊通過(guò)數(shù)傳模塊傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)信息,包括速度、高度、與航點(diǎn)距離、升降速度、地圖定位以及平衡狀態(tài)等。

        3.4全程跟蹤模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        全程跟蹤模塊以APM為中心,輔以GPS全球定位系統(tǒng)以及上位機(jī)Mission Planner,從而實(shí)現(xiàn)所需功能,如圖3所示。在火箭未升空時(shí),我們可以使用上位機(jī)界面左上角的陀螺儀平衡檢測(cè)區(qū)域來(lái)調(diào)整火箭發(fā)射前的狀態(tài),并同時(shí)調(diào)整,盡量使火箭為標(biāo)準(zhǔn)的豎直狀態(tài)。當(dāng)火箭升空后,我們即可使用上位機(jī)的左下方速度檢測(cè)區(qū)域以及右部GPS地圖檢測(cè)區(qū)域來(lái)監(jiān)控火箭在空中的實(shí)時(shí)位置及相關(guān)的速度等數(shù)據(jù)[4]。

        4 結(jié)論

        整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制模塊和全程跟蹤模塊構(gòu)成。以STC、Atmega、Siliconlab主控芯片為基礎(chǔ)進(jìn)行模塊拓展,構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)模塊。從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的相關(guān)功能。本文設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)距離的安全發(fā)射裝置,以C10X-433MHz的無(wú)線透明傳輸模塊為基礎(chǔ),理論上的最遠(yuǎn)極限距離可達(dá)到1km,做到了理想中的遠(yuǎn)距離的安全發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛行控制模塊為基礎(chǔ),搭載GPS全球定位系統(tǒng),配合Mission Planner上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了良好的全數(shù)字化、圖像化的追蹤功能。APM系列飛控原主要用于多軸以及固定翼等無(wú)人機(jī)上,本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將APM飛控搭載到了航模探空火箭上,解決了軍民在使用探空火箭時(shí)的一些定位問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō),將來(lái)探空火箭市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)電磁發(fā)射的方式,會(huì)顛覆以往火箭發(fā)射的模式。

        [1]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].4版.北京:清華大學(xué)出版社,2010.

        [2]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2009.

        [3]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].1版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

        [4]楊陽(yáng).基于APM開源飛控平臺(tái)的四軸旋翼飛行器[J].信息通信,2015(8):68.

        TP39

        A

        1674-6708(2016)166-0113-02

        安徽大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):201510357220;項(xiàng)目代碼:J18515340。

        項(xiàng)曉強(qiáng),安徽大學(xué)。陳冉,安徽大學(xué)。許耀華,安徽大學(xué)。

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