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        四軸飛行器自動(dòng)巡航系統(tǒng)

        2017-06-29 09:02:34西安工業(yè)大學(xué)樊佳瑞胡心蕊陳涇源
        電子世界 2017年11期
        關(guān)鍵詞:氣壓計(jì)磁力飛行器

        西安工業(yè)大學(xué) 樊佳瑞 胡心蕊 李 楊 陳涇源

        四軸飛行器自動(dòng)巡航系統(tǒng)

        西安工業(yè)大學(xué) 樊佳瑞 胡心蕊 李 楊 陳涇源

        本項(xiàng)目主要研究飛行器自主巡航系統(tǒng),裝載此系統(tǒng)后的模型直升機(jī)、四軸飛行器、多軸飛行器將會(huì)擁有空間定位、低空巡航等功能。它由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計(jì)模塊和磁力傳感器模塊構(gòu)成。主控模塊將從GPS模 塊獲得無(wú)人機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)信息,從氣壓計(jì)模塊得到當(dāng)前的飛行高度,從磁力傳感器模塊獲得飛行器的實(shí)際角度,最后通過(guò)算法最終控制飛行器飛到目標(biāo)空域,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航。

        STM32F407單片機(jī);GPS;氣壓計(jì);磁力傳感器;無(wú)線電遙控

        0.引言

        四軸飛行器也稱四旋翼直升機(jī),通過(guò)電力驅(qū)動(dòng),遙控指揮其飛行的一種飛行器。四個(gè)螺旋槳對(duì)稱分布在機(jī)體的前后左右,并且處于同一高度平面。四個(gè)螺旋槳形狀大小相同,四個(gè)電機(jī)位于飛行器的支架末端,支架中間位置可安放電池,控制器及其他設(shè)備。四旋翼飛行器可實(shí)現(xiàn)垂直,俯仰,滾轉(zhuǎn),偏航,前后及側(cè)向運(yùn)動(dòng),與常規(guī)飛行器相比,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,能獲得比普通飛行器更大的上升力,便于控制,工作效率大大提高。具有自動(dòng)巡航的四旋翼飛行器在軍事和生活方面應(yīng)用廣泛,例如無(wú)人機(jī)偵察、制導(dǎo)、空中打擊、自動(dòng)化武器、航拍航測(cè)、高壓線巡航、治安防爆、地質(zhì)勘探、林業(yè)部門(mén)防火、搶險(xiǎn)救災(zāi)、國(guó)土資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城鎮(zhèn)規(guī)劃與市政管理等。

        1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        整個(gè)系統(tǒng)由PC機(jī)、航模遙控器、和四軸飛行器組成。研究人員通過(guò)PC機(jī)上的地面站軟件規(guī)劃巡航路線,并將巡航路徑數(shù)據(jù)下載到自主巡航控制模塊。飛行器在巡航過(guò)程中遇到難以處置問(wèn)題時(shí),可以切換到遙控模式以免發(fā)生危險(xiǎn)。四軸飛行器使用11.1V的鋰電池進(jìn)行供電,從GPS模塊和氣壓計(jì)模塊得到飛行器的具體坐標(biāo)及飛行高度,通過(guò)3DR模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,保證了飛行器穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸,并將數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上的地面站監(jiān)控軟件上,這樣便可實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。四軸飛行器的控制系統(tǒng)由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計(jì)模塊、磁力傳感器模塊、控制選擇器和APM飛控構(gòu)成,主控模塊將從GPS模塊、氣壓計(jì)模塊和磁力傳感器模塊獲得無(wú)人機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)信息,然后通過(guò)控制算法將控制信號(hào)傳遞到APM飛控,最終實(shí)現(xiàn)飛行器的自主巡航。

        以下是功能框架圖:

        圖1 系統(tǒng)原理框圖

        2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

        2.1 自動(dòng)飛控系統(tǒng)

        自主飛控系統(tǒng)功能是在無(wú)人操控的狀態(tài)下,控制飛行器在預(yù)設(shè)的坐標(biāo)點(diǎn)之間巡航。要完成這個(gè)功能就需要多個(gè)模塊的互相配合,才能完成給定的任務(wù)。系統(tǒng)采用高精度GPS模塊通過(guò)串口獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù),在巡航過(guò)程中系統(tǒng)需要不斷調(diào)整飛行姿態(tài),所以利用氣壓計(jì)采集飛行器的飛行高度,用磁力傳感器獲得飛行器的偏航角,這兩個(gè)模塊都是采用I2C驅(qū)動(dòng)程序與主控芯片進(jìn)行通信,以下是自動(dòng)飛控系統(tǒng)的硬件框圖:

        圖2 系統(tǒng)硬件框圖

        2.2 STM32F407主控模塊

        因?yàn)榭刂菩疽?jì)算偏航角并進(jìn)行PID控制,所以對(duì)主控芯片的運(yùn)行速度要求比較高,通過(guò)查詢資料最終選擇STM32F407為主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARM Cortex M4內(nèi)核,在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號(hào)處理功能,并提高了運(yùn)行速度;STM32F405x集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CRC計(jì)算單元和模擬真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)。

        圖3 選擇控制器硬件電路

        圖4 GPS模塊硬件電路

        2.3 控制選擇器

        控制選擇器由CD4053芯片、主控模塊以及必須元器件構(gòu)成。遙控器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào),通過(guò)接收機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)并傳輸?shù)街骺啬K,單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)高電平的檢測(cè),得到PWM信號(hào)的占空比。當(dāng)占空比大于0.90時(shí)單片機(jī)輸出高電平,選通CD4053芯片的x通道關(guān)閉y通道,從而實(shí)現(xiàn)STM32F407核心控制器對(duì)四軸飛行器的控制;當(dāng)占空比小于0.5時(shí)單片機(jī)輸出低電平,選通CD4053芯片的y通道關(guān)閉x通道,從而實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)四軸飛行器的控制(見(jiàn)圖3)。

        2.4 GPS模塊

        四軸飛行器實(shí)現(xiàn)自主巡航需要高精度的GPS模塊提供經(jīng)緯度數(shù)據(jù),在考察了市面上的定位芯片后,我們選用的是NEO-7M GPS模塊,它是一個(gè)低功耗主芯片的超小外型GPS接收模組,該產(chǎn)品采用了新一代U-blox芯片,超高靈敏度,具備全方位功能,能滿足專(zhuān)業(yè)定位的嚴(yán)格要求,串口輸出數(shù)據(jù)用戶使用方便,而且成本較低(見(jiàn)圖4)。

        2.5 氣壓計(jì)模塊

        氣壓計(jì)模塊用來(lái)測(cè)量飛行器的高度,我們選用的是MS5611-o1BA氣壓傳感器,它是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器,分辨率可達(dá)到10cm,該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號(hào)滯后。

        圖5 氣壓計(jì)硬件電路

        圖6

        3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

        3.1 偏航角計(jì)算理論方法

        如圖6所示以A點(diǎn)為參考點(diǎn)計(jì)算B點(diǎn)的方位角,假設(shè)A點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為(Aw,Aj) , B點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為(Bw,Bj)。A,B,C表示球面上的三個(gè)點(diǎn)及球面上“弧線”在該點(diǎn)處所夾的角。a,b,c表示A,B,C三點(diǎn)的對(duì)“弧”兩端點(diǎn)與地心連線所夾的角。

        首先使用三面角余弦公式:

        將兩點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)帶入得:

        由三角函數(shù)得:

        地球近似一個(gè)球體,所以采用用球面正弦公式:

        將已知條件帶入化簡(jiǎn)得:

        即得偏航角:

        3.2 STM32軟件流程圖

        智能控制系統(tǒng)的軟件是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分,也是最難的部分。系統(tǒng)在接受到地面站發(fā)送的坐標(biāo)信息后進(jìn)行存儲(chǔ),并用方向余弦算法計(jì)算出當(dāng)前位置到目標(biāo)點(diǎn)的偏航角,自動(dòng)巡航控制器將控制四軸飛行器起飛,不斷調(diào)整四軸飛行器的飛行高度和偏航角,當(dāng)飛行器的飛行高度達(dá)到預(yù)設(shè)值高度,實(shí)際偏航角等于計(jì)算的理論值時(shí),飛行器開(kāi)始飛向目標(biāo)航點(diǎn),在飛向目標(biāo)航點(diǎn)的過(guò)程中,控制器將會(huì)不斷執(zhí)行上述過(guò)程調(diào)整飛行器姿態(tài),這樣即使在有風(fēng)力干擾時(shí)飛行器也會(huì)自行修正航向,大大提高了自主巡航系統(tǒng)的抗干擾性。以下是系統(tǒng)的軟件流程圖:

        圖7 STM32F407軟件流程圖

        4.測(cè)試結(jié)果

        以下是我們對(duì)四軸飛行器自主巡航系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果:

        目標(biāo)航點(diǎn)坐標(biāo)飛行器降落點(diǎn)坐標(biāo)偏差量34.3841040 N 108.9831048 E 34.3841192 N 108.9831367 E 1.2m 34.3853099 N 108.9837671 E 34.3853461 N 108.9837326 E 0.9m 34.3852763 N 108.9831795 E 34.3852895 N 108.9831467 E 1.4m 34.3841509 N 108.9836924 E 34.3841316 N 108.9836593 E 1.0m 34.3846871 N 108.9834092 E 34.3846612 N 108.9834398 E 0.8m

        5.總結(jié)

        本文說(shuō)明了四軸飛行器自主巡航系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。運(yùn)用模塊化的硬件電路設(shè)計(jì)方式,使得本系統(tǒng)具有出色的再開(kāi)發(fā)性和外擴(kuò)性。選用STM32F407為主控制器,具有高效的計(jì)算能力及多個(gè)外設(shè)接口,為四軸提供了一個(gè)強(qiáng)大的大腦,羅盤(pán)HMC588L,氣壓計(jì)MS5611,和NEO-7M GPS,保證飛行器穩(wěn)定飛行;預(yù)設(shè)許多接口,以便再次開(kāi)發(fā)與拓展。本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱,穩(wěn)固性好、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),成功完成四軸飛行器固定高度下的自主巡航。

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        樊佳瑞(1996—),男,甘肅寧縣人,西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院本科在讀,主要從事嵌入式系統(tǒng)研究。

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