鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院 王正鶴 李仁鳳 焦振振

1 引言

近年無人機(jī)在人類社會生活中發(fā)揮的作用日趨顯著，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林藥物噴灑、森林防火、地質(zhì)測繪、航拍救援等。無人機(jī)功能和應(yīng)用的擴(kuò)展，對其無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提出了較高要求。本文基于無人機(jī)設(shè)計(jì)無線動態(tài)傳輸系統(tǒng)，并對其進(jìn)行性能測試分析。

2 總體設(shè)計(jì)方案

對無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以簡化系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)過程，縮短無線傳輸系統(tǒng)的研發(fā)周期，降低綜合成本低，確保性能安全可靠。

無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由發(fā)射結(jié)構(gòu)和接收結(jié)構(gòu)組成。其中，發(fā)射結(jié)構(gòu)中空中發(fā)射系統(tǒng)MPU與陀螺儀模塊、高度氣壓計(jì)模塊、溫濕度傳感模塊、電源模塊、無線通信模塊和其他相關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。接收結(jié)構(gòu)中，地面接收系統(tǒng)MPU與人機(jī)顯示模塊、預(yù)警模塊、電源模塊和無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如圖2所示。陀螺儀模塊采集飛行姿態(tài)的數(shù)據(jù)；高度氣壓模塊測量飛行高度和氣壓；溫濕度傳感模塊測量飛行環(huán)境的溫度與濕度；電源模塊為系統(tǒng)CPU提供所需的電能；無線通信模塊完成數(shù)據(jù)的無線傳輸及其他數(shù)據(jù)模塊滿足不同的系統(tǒng)要求。

圖1 發(fā)射結(jié)構(gòu)

圖2 接收結(jié)構(gòu)

無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過電子元件模塊采集飛行數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳送到地面站，加強(qiáng)人機(jī)通信。在一定的距離范圍內(nèi)，對空中飛行的無人機(jī)進(jìn)行控制監(jiān)視，拓展無人機(jī)的服務(wù)范圍。表1為無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)各模塊的具體選型。系統(tǒng)處理芯片選用32位的增強(qiáng)型微型控制器工作性能穩(wěn)定、功耗低、運(yùn)算處理速度為72MHz的STM-32F103CBT6單片機(jī)，其工作環(huán)境溫度為-45℃～105℃；陀螺儀模塊選用靈敏度高、集成了數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字運(yùn)動處理器且具有低功耗和高抗撞擊能力的MPU6050模塊；高度氣壓模塊選取體積小、精度高、功耗低、壓力測量范圍在30～110 kPa的BMP180壓力傳感器模塊；溫濕度傳感模塊選用功能齊備DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和精度高、測量范圍寬廣的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采用單線接口連接電路實(shí)現(xiàn)兩款傳感器的切換；電源模塊采用AMS1117高效線性穩(wěn)壓器；無線通信模塊功耗低、實(shí)用性較強(qiáng)、可以遠(yuǎn)距離、安全可靠的傳輸數(shù)據(jù)的NRF24L01模塊；人機(jī)顯示模塊采用2.4寸的薄膜晶體管液晶顯示器TFT-LCD模塊；預(yù)警模塊采用LCD燈和有源蜂鳴器進(jìn)行聲光的報(bào)警；系統(tǒng)下載電路高速下性能可靠的SWD下載模式。

表1 系統(tǒng)各模塊的選型

3 測試結(jié)果

對無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和性能測試，傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離達(dá)到1000米，各傳感器的測量誤差在系統(tǒng)的要求范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)測量及傳輸穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)性能能夠滿足要求。

4 結(jié)論

運(yùn)用NRF24L01無線收發(fā)模塊，基于無人機(jī)搭建無線動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對飛行姿態(tài)、飛行環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行采集、發(fā)送和監(jiān)測，對實(shí)時(shí)控制無人機(jī)的姿態(tài)，并實(shí)現(xiàn)后期對無人機(jī)的故障診斷、氣動外形建模、穩(wěn)定性分析和姿態(tài)控制分析等具有積極作用。

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