劉佳嘉 趙玉強(qiáng) 馬俊 董明道

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307；2.中國(guó)人民解放軍 93704部隊(duì)，北京通州 101100）

基于MSP430的無(wú)人機(jī)機(jī)載防鳥(niǎo)系統(tǒng)

劉佳嘉1趙玉強(qiáng)2馬俊1董明道1

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307；2.中國(guó)人民解放軍 93704部隊(duì)，北京通州 101100）

針對(duì)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中常受鳥(niǎo)類攻擊的問(wèn)題，研發(fā)一種利用低功耗單片機(jī)配合超聲波模塊、頻閃模塊和數(shù)字音頻模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥(niǎo)的機(jī)載系統(tǒng)。采用單片機(jī)MSP430作為控制單元，驅(qū)動(dòng)超聲波系統(tǒng)發(fā)射有效頻段內(nèi)的變頻超聲波，同時(shí)結(jié)合頻閃模塊隨機(jī)發(fā)出強(qiáng)光和數(shù)字音頻發(fā)出的鳥(niǎo)類天敵的叫聲，有效降低了鳥(niǎo)類的適應(yīng)性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可靠性高，驅(qū)鳥(niǎo)效果良好，有效提高了無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的安全性。

無(wú)人機(jī)；MSP430；防鳥(niǎo)系統(tǒng)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，具有高效率、低成本、大產(chǎn)出等優(yōu)勢(shì)。然而，在無(wú)人機(jī)工作過(guò)程中，常常因?yàn)轼B(niǎo)類活動(dòng)而受到干擾。在城市中，大量的鴿群繁衍生息。鴿子是一種領(lǐng)地意識(shí)強(qiáng)，并且天性好奇的鳥(niǎo)類。無(wú)人機(jī)工作時(shí)，如果遭受鴿子襲擊，會(huì)致使飛行任務(wù)無(wú)法順利完成，曾經(jīng)甚至導(dǎo)致槳葉被撞壞，從空中墜落并對(duì)地面人員造成傷害的后果。在野外更有數(shù)量龐大的各種鳥(niǎo)類，且野外鳥(niǎo)類的出現(xiàn)具有不確定性，無(wú)人機(jī)在野外遭受鳥(niǎo)類襲擊的事件并不鮮見(jiàn)。因此，一個(gè)高效低功耗的無(wú)人機(jī)機(jī)載驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)正常作業(yè)具有重要作用［1］。

本文基于MSP430單片機(jī)，通過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行控制，研制了一個(gè)適用于四旋翼無(wú)人機(jī)的驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)，使無(wú)人機(jī)在工作時(shí)，不再受到鳥(niǎo)類的騷擾和威脅，保證作業(yè)任務(wù)順利完成。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)主要由MSP430F5529單片機(jī)模塊、超聲波發(fā)生器模塊、高亮LED頻閃燈模塊、音頻播放器模塊4個(gè)模塊組成，供電由單獨(dú)的3S電池提供，與飛行器電源相互獨(dú)立?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

由遙控器控制無(wú)線模塊，無(wú)線模塊向單片機(jī)輸入一高電平，單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)入工作模式，驅(qū)動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)模塊工作，交替播放已存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡中有害鳥(niǎo)類天敵的叫聲或其他鳥(niǎo)類不喜的聲音信號(hào)，MP3解碼模塊輸出的聲音信號(hào)經(jīng)功率放大后傳到揚(yáng)聲器中播放；超聲波喇叭同時(shí)發(fā)射頻率為16K以上的大功率超聲波。這種變頻超聲波和隨機(jī)播放的數(shù)碼語(yǔ)音結(jié)合，對(duì)鳥(niǎo)類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行干擾和刺激，能夠使近距離的鳥(niǎo)類顯得煩躁不安，迫使鳥(niǎo)類遠(yuǎn)離該區(qū)域，并有效降低鳥(niǎo)類的適應(yīng)性，以達(dá)到驅(qū)趕鳥(niǎo)類的目的。電源模塊選用3S航模電池，體積小，容量大，能夠使驅(qū)鳥(niǎo)模塊工作時(shí)間有效延長(zhǎng)。

2 驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)主要器件

2.1 MSP430單片機(jī)

為了降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)選用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430f5529作為主控芯片，其具有功耗低、處理能力強(qiáng)、片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)，對(duì)于開(kāi)發(fā)超低功耗和高速實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品是一個(gè)最優(yōu)的選擇。MSP430f5529單片機(jī)最低工作電壓為1.8～3.6V，電流最低至150μA。最低功耗休眠模式時(shí)電流僅需0.18μA。

2.2 超聲波模塊

超聲波模塊選用美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD9850芯片，AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，可輸出正弦波和方波，采用125MHz的有源晶振，頻率輸出為0～40MHz。再輸入超聲波喇叭發(fā)出90dB以上的超聲波。

2.3 頻閃燈模塊

根據(jù)鳥(niǎo)類懼怕閃光的特性，可以通過(guò)高亮度LED燈珠由單片機(jī)控制頻閃，以達(dá)到驅(qū)散鳥(niǎo)的目的。選用美國(guó)CREE公司的XPE紅光LED，其功率達(dá)到3W，電壓為2.2～2.6V，電流為650～750Ma，光通量為110～120LM。組件前后左右共4組，每組2個(gè)LED，以確保每次閃爍能驚嚇到周圍10m左右的鳥(niǎo)類。

2.4 音頻模塊

正如人類永遠(yuǎn)不能習(xí)慣人類自身的哀鳴聲一樣，鳥(niǎo)類聽(tīng)到同類悲哀、痛苦和驚嚇時(shí)的叫聲，就會(huì)感到十分痛苦和驚慌，進(jìn)而離開(kāi)這個(gè)環(huán)境。根據(jù)這一點(diǎn)，錄取不同鳥(niǎo)類的悲哀、痛苦和驚嚇的叫聲，再加上獵槍、銅鑼、大多數(shù)鳥(niǎo)類的天敵蒼鷹的聲音，以MP3的格式存儲(chǔ)于SD卡中。MP3音頻芯片選用凌通GPD2846A，選用8002功放及3W/ 4Ω高性能揚(yáng)聲器，隨機(jī)播放上述音頻，確保能將無(wú)人機(jī)周圍10m的鳥(niǎo)類驅(qū)散。

2.5 供電模塊與無(wú)線模塊

由3塊3S航模電池串聯(lián)供電。無(wú)線模塊選擇NRF24L01，其是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4～2.5GHz的ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線模塊通信，接受來(lái)自地面控制器的控制信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗休眠狀態(tài)時(shí)，未收到控制信號(hào)則一直休眠直到收到開(kāi)始的信號(hào)，開(kāi)始之后開(kāi)啟系統(tǒng)的中斷，處于定時(shí)器中斷中的超聲波模塊程序、頻閃燈模塊程序和音頻模塊程序開(kāi)始運(yùn)行，直到收到停止的信號(hào)，收到停止信號(hào)之后關(guān)閉系統(tǒng)中斷，各模塊停止工作，并進(jìn)入低功耗模式開(kāi)始休眠，等待下一個(gè)開(kāi)始信號(hào)。具體工作流程如圖2所示。

圖2 驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)工作流程

4 試驗(yàn)結(jié)果

將該驅(qū)鳥(niǎo)模塊安放在鳥(niǎo)類數(shù)量較大的樹(shù)林周邊和空曠地段進(jìn)行了10次測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)間15min左右，結(jié)果表明，驅(qū)鳥(niǎo)器在空中的有效距離約在8m左右，當(dāng)鳥(niǎo)類進(jìn)入有效距離時(shí)會(huì)往反方向驚飛。在不同光照強(qiáng)度下測(cè)試時(shí)，有效距離幾乎沒(méi)有改變。該聲、光結(jié)合的無(wú)人機(jī)機(jī)載驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)鳥(niǎo)，使無(wú)人機(jī)工作更穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

研制的基于MSP430芯片的無(wú)人機(jī)機(jī)載驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)的電源由額外的3S航模電池提供，不影響無(wú)人機(jī)的續(xù)航，且自身功耗較低，由無(wú)線模塊控制，易于地面飛手操作。機(jī)載驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)的有效距離約在8m左右，在不同光照強(qiáng)度下測(cè)試時(shí)，有效距離幾乎沒(méi)有改變。事實(shí)證明，該聲、光結(jié)合的無(wú)人機(jī)機(jī)載驅(qū)鳥(niǎo)系統(tǒng)能夠有效地驅(qū)鳥(niǎo)，使無(wú)人機(jī)工作更穩(wěn)定可靠。

［1］宋利民，馬寶山，王曰承，等.16位單片機(jī)在機(jī)場(chǎng)驅(qū)鳥(niǎo)器系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（32）：78-80.

MSP430-Based on-Board Birds Expulsion System for UAV

Liu Jiajia1Zhao Yuqiang2Ma Jun1Dong Mingdao1
（1.Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan Sichuan 618307；2.93704 People's Liberation Army，Tongzhou Beijing 101100）

Aiming at the problem that the unmanned aerial vehicles(UAVs)are attacked by birds frequently,an onboard system was developed to drive away birds which used a kind of low-power single-chip microcomputer to match ultrasonic module,strobe module and digital audio module.The microcomputer MSP430 was used as control unit to drive the ultrasonic system to transmit the frequency-converted ultrasonic waves in the effective frequency band,at the same time,the strobe module randomly emits strong light and digital audio make noise of bird predators,and ef?fectively reduces the birds'adaptability.The experimental results show that the system has high reliability and good bird-expulsion effect,which improves the safety of the UAV.

UAV；MSP430；bird-expulsion system

V351

：A

：1003-5168（2017）01-0062-02

2016-11-13

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510624021）。

劉佳嘉（1986-），女，碩士，講師，研究方向：航空電子，圖像處理。