吉林大學珠海學院　劉夢亭　吳　凡　陳志欽

基于ATmega328p與Android的航拍偵察六軸對轉(zhuǎn)飛行器的設(shè)計

吉林大學珠海學院劉夢亭吳凡陳志欽

本設(shè)計以ATmega328p控制芯片為核心控制器實現(xiàn)了六軸對轉(zhuǎn)飛行器的設(shè)計，并通過藍牙和無線串口通信的方式實現(xiàn)了在Android系統(tǒng)下的遠程控制。通過電腦及手機地面站在谷歌地圖上標注預計航點，將信息保存并上傳至飛行器身上帶有的GPS模塊使其自主飛行。

ATmega328p；android；六軸對轉(zhuǎn)飛行器

引言

由于天氣因素的影響，衛(wèi)星或載人飛機難以及時獲取對災難救助指揮的實時地面影像。采用無人機可超低空云下作業(yè)，對天氣依賴小，不需要專用機場，獲取地面影像速度快。

六軸式無人偵察飛行器是一種機上無人駕駛，可重復使用的航空偵察，監(jiān)控飛行器。飛行器內(nèi)部控制系統(tǒng)自主控制（自動程序控制或依靠傳感器的人工智能式自動控制）執(zhí)行任務(wù)，或由飛行器外的控制站（手機Android地面站及電腦地面站）發(fā)出遙控指令操縱執(zhí)行任務(wù)。

愛特梅爾公司的ATmega328p單片機具有高性能、高性價比、外設(shè)豐富和低功耗等優(yōu)點，本設(shè)計應(yīng)用ATmega328p內(nèi)核的單片機作為飛行器的行為控制器，對攝像設(shè)備進行底層驅(qū)動，圖像處理及視頻處理，通過2.4G的Wi-Fi無線傳輸圖像信息到地面站的電腦上實時顯示，實現(xiàn)航空視頻拍攝及照片拍攝，并及時將信息傳回地面站。也可由地面站從電腦通過ZIGBEE數(shù)字傳送電臺發(fā)送到飛行器的接收端。由飛控設(shè)備通過GPS定位進行飛行路線的預先設(shè)定，飛行器按照指定路線飛行，實現(xiàn)自主導航，自主盤旋，并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置，實現(xiàn)無人控制的遠程無線遙感控制飛行器自主飛行。

超聲波定高可實現(xiàn)高度保持模式，即飛控設(shè)備參與控制飛機高度，結(jié)合云臺增穩(wěn)抗震系統(tǒng)保持攝像機的平穩(wěn)，適合航拍。

1.硬件設(shè)計

六軸無人飛行器是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復使用的無人駕駛航空器。簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle縮寫UAV）。由于飛行器的研發(fā)在民用和軍事領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，眾多的航模愛好者、科學家致力于微型飛行器的研究。目前在市場上出現(xiàn)較多的是三軸、四軸的飛行器，六軸對轉(zhuǎn)飛行器相對非常少。

圖1　硬件控制原理圖

本課題研究以六軸微型飛行器的機型特點，采用螺旋槳上下對轉(zhuǎn)形式，減小氣流對旋翼的影響，增強了飛行器的穩(wěn)定性，結(jié)合ATMEGA328P單片機的優(yōu)越性能，以ATMEGA328P為控制單元核心，加上相應(yīng)的電源電路、串/并口通訊電路、傳感器檢測電路及PWM信號隔離電路等，進行了六軸飛行器系統(tǒng)的硬件設(shè)計（見圖1）。

本設(shè)計采用Y6布局，共有三個輸出軸，每個輸出軸有兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的動力系統(tǒng)，這代表了一旦在空中某一個電動機（螺旋槳）發(fā)生故障，由于同一輸出軸上還有一個具有較大剩余功率的動力系統(tǒng)，飛機的控制系統(tǒng)會自動加大剩余功率的使用，使飛行器從容返回并安全降落。

圖2　六軸對轉(zhuǎn)螺旋飛行器

圖3　六軸對轉(zhuǎn)無人飛行器機身硬件設(shè)計

動力系統(tǒng)：多軸飛行器通常由多個電動機直接帶動螺旋漿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力 。以無刷無感馬達為動力核心，無刷電子調(diào)速器，用于產(chǎn)生三相交流電，以PWM信號的脈沖寬度來控制輸出的電壓及電流，進而控制電動機轉(zhuǎn)速。

2.軟件設(shè)計

由地面站（ground station）從電腦通過ZIGBEE數(shù)據(jù)傳輸電臺發(fā)射到飛行器上的接收端，由飛控設(shè)備配合GPS實現(xiàn)自主導航，自主盤旋，并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置。或由手機android系統(tǒng)地面站通過藍牙與飛行器上的藍牙模塊對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，通過地面站在谷歌地圖上標注預計航點，這樣通過手機GPS也可實現(xiàn)自主導航。

軟件采用手機Android地面站及電腦地面站顯示終端，實現(xiàn)飛行試飛調(diào)試及控制。

軟件調(diào)試：啟動無線傳輸模塊，在遙控模式下試飛六軸飛行器，觀察其震動劇烈程度，打開mission planner軟件反復調(diào)試P、I、D值，直到飛行狀況十分穩(wěn)定。

圖4　手機地面站

圖5　藍牙模塊實現(xiàn)短距離實時操控

采用zigbee1605A無線數(shù)字傳輸模塊實現(xiàn)數(shù)字通訊，電腦作為視頻監(jiān)控站，可以多航點自動飛行；能顯示實時的飛機姿態(tài)與高度，航向等功能；能顯示飛機在谷歌地圖上的位置與航向，及高度。相當于一個無人機的雷達，可以跟蹤自己的飛機所在，在電腦地面站上進行監(jiān)測。

圖6　電腦地面站

GPS定點與導航自主飛行系統(tǒng)的設(shè)計，通過手機地面站在谷歌地圖上標注預計航點，將信息保存并上傳至飛行器身上帶有的GPS模塊，使其自主飛行。根據(jù)實時GPS坐標判斷飛行器是否發(fā)生漂移或者偏離預定飛行軌道。并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置。

圖7　GPS定點與導航自主飛行系統(tǒng)的設(shè)計

3.結(jié)束語

六軸對轉(zhuǎn)飛行控制系統(tǒng)的機上部分包括：六軸姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)，自主飛行控制和指揮系統(tǒng)，飛行軌跡和導航控制系統(tǒng)，起飛與精確著陸飛行控制系統(tǒng)，及飛行安全控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)的地面部分包括：飛行操縱和指令系統(tǒng)，飛行監(jiān)控及顯示系統(tǒng)，飛行定位系統(tǒng)，飛行自動指令系統(tǒng)，手機地面站系統(tǒng)。

該設(shè)計實現(xiàn)了航拍及無線視頻及圖像傳輸功能，研究成果可應(yīng)用于電力巡線，災害評估，農(nóng)林噴藥等民用領(lǐng)域。

［1］劉峰等.四軸飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2011，19（3）.

［2］孫驊.基于GPS與AHRS的四軸飛行器懸停算法研究［J］.機械科學與技術(shù)，2013，Vol.32，No.4.

［3］X-600D四軸飛行器使用說說［S］.香港：香港科比特科技有限公司.

［4］張明連.飛行控制系統(tǒng)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1994.

劉夢亭（1981-），女，江西景德鎮(zhèn)人，工學碩士，講師，主要研究方向：系統(tǒng)工程，嵌入式開發(fā)，信號處理。

吳凡（1995-），男，廣東汕頭人，在校大學生，主要研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化，機電一體化，機械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計。

陳志欽（1994-），男，廣東茂名人，在校大學生，主要研究方向：微電子工程，嵌入式開發(fā)。

2015年廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金（“攀登計劃”專項資金）立項項目：四軸無人機智能運輸系統(tǒng)；吉林大學珠海學院質(zhì)量工程立項（ZLGC20130701），項目名稱：以多層次MCU為核心的系列課程實踐教學改革與創(chuàng)新；吉林大學珠海學院質(zhì)量工程立項（ZLGC20150706）項目名稱：數(shù)字信號處理精品課建設(shè)。