關學忠 趙麗麗 崔 凡 卞 強 孫占文

(東北石油大學電氣信息工程學院)

基于STM32的無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)①

關學忠 趙麗麗 崔 凡 卞 強 孫占文

(東北石油大學電氣信息工程學院)

在VS平臺上設計了一個基于STM32控制器的無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)，給出系統(tǒng)軟硬件部分的選型和設計。經(jīng)過實際聯(lián)調，系統(tǒng)運行良好，實現(xiàn)了預期目標。

地面監(jiān)控系統(tǒng) 四旋翼無人機 STM32 Mission Planner界面

隨著航空和微機電技術的快速發(fā)展，微小型無人機已成為無人機范疇的重點研究課題。微小型無人機具有體積小、質量輕、布局簡單、攜帶便利及維護方便等優(yōu)點，在軍事、民用等領域中得到了廣泛應用[1]。筆者以四旋翼無人機(小型飛行器)為研究對象，應用無線鏈路裝備，在VS軟件上設計了一個無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集顯示、控制指令發(fā)送、飛行軌跡繪制、目標定位及無人機3D視景等功能。

1 系統(tǒng)總體結構

無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)硬件由PC機、飛行器、遙感器、無線數(shù)據(jù)通信設備及航拍攝像頭等組成；軟件由PC機上的地面監(jiān)控系統(tǒng)和FlightGear視景顯示部分組成[2]。

圖1 無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 四旋翼無人機

四旋翼無人機(圖2)由4個電機驅動的螺旋槳構成，固聯(lián)在十字叉構造上，以4個旋翼為動力，可以垂直下降，不載工作人員。

圖2 四旋翼無人機構造模擬圖

四旋翼無人機控制板的硬件布局如圖3所示?？刂破鞑捎镁哂蠥RM Cortex-M3處理器的STM32單片機，主要負責控制數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、定時器模塊和電機驅動模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于收集傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)相應的傳感器接口采集數(shù)據(jù)；通信模塊用于控制器之間的通信和無人機與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信；定時器模塊用于捕獲PPM信號、生成PWM信號和定時，生成的PWM信號發(fā)送給電機驅動模塊(無極電刷)，調節(jié)PWM波來改變電機轉速[2]。

圖3 四旋翼無人機控制板的硬件布局

四旋翼無人機設有兩片STM32控制器(上下分布)，分別進行不同的指令任務。上層控制器用于與地面監(jiān)控系統(tǒng)的通信、采集遙控器的PPM信號并解碼、獲取傳感器數(shù)據(jù)、與下層控制器的SPI通信；下層控制器用于控制電機轉速、獲取傳感器數(shù)據(jù)、與上層控制器的SPI通信。

2.2 無線通信設備

無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)與四旋翼無人機之間采取無線串口通信方式，無線通信設備選擇遵循ZigBee協(xié)議的XBee-Pro模塊。該模塊符合無線傳感網(wǎng)絡低資源、低功耗的要求，便于應用。

2.3 遙控設備

遙控設備選擇天地飛遙控器，配有FRP06-P接收機，具有失控保障、抗干擾性強及穩(wěn)定性高等優(yōu)點。該遙控設備能夠容易地尋找到PPM信號線，然后通過主控制器的一個定時器，就可以對PPM信號進行解碼，從而完成對四旋翼無人機的控制。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 地面站界面

地面站界面采用VS平臺編譯源代碼，打開Mission Planner界面(圖4)，首先調試PID參數(shù)和路徑規(guī)劃，然后對GPS模塊和無線通信設備進行編譯，就可實現(xiàn)對四旋翼無人機的定位和飛行姿態(tài)的掌握。

Mission Planner界面的功能主要包括以下3個部分：

a. 飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示。機載控制系統(tǒng)通過傳感器獲取飛行姿態(tài)后，數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給地面監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控系統(tǒng)由儀表和文本框顯示接收到的數(shù)據(jù)信息。

圖4 Mission Planner界面

b. 控制命令的發(fā)送。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈路把設置的控制指令發(fā)送給無人機，無人機收到指令后，通過MPU處理，實現(xiàn)對飛行器的操縱。

c. 航跡繪制和目標定位。電子地圖實時顯示無人機的航跡，并確定相應的目標定位和航點的設置與修正。

3.2 FlightGear視景顯示

無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)的FlightGear視景顯示能夠根據(jù)實際的無人機姿態(tài)，仿真3D視景飛行。工作人員在遙控過程中不需要一直注視無人機，只需根據(jù)3D視景效果，就可以準確快速地確定無人機飛行姿態(tài)，從而給出遙控指令。

4 結束語

筆者基于STM32控制器，以四旋翼無人機為被控對象，在VS平臺上設計了一個無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Mission Planner界面，實現(xiàn)了無人機飛行軌跡的實時記錄；通過PID參數(shù)調整，實現(xiàn)了對四旋翼無人機飛行姿態(tài)的控制；繪制飛行軌跡，進行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)了無人機的自主飛行。試驗結果證明，該無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，達到了地面監(jiān)控要求和預期目標。

[1] 于歌,劉剛,房建成.小型無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)[J].機械與電子,2007,(7):24～26.

[2] 沈才云.四旋翼無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[D].南京:東南大學,2013.

GroundMonitoringSystemforQuadrotorUnmannedAerialVehiclesBasedonSTM32Controller

GUAN Xue-zhong, ZHAO Li-li, CUI Fan, BIAN Qiang, SUN Zhan-wen

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

On VS platform, a STM controller-based ground monitoring system for UAV (quadrotor unmanned aerial vehicle) was designed, including the system’s hardware design and its selection. Through joint debugging, the system runs well and achieves the goal as expected.

ground monitoring system, quadrotor UAV, STM32, Mission Planner interface

關學忠(1962-)，教授，從事神經(jīng)網(wǎng)絡控制和故障診斷技術研究，gxzdqpi@163.com。

TH862

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1000-3932(2017)03-0277-03

2016-09-02)