徐力 四川大學(xué)錦江學(xué)院

1 引言

隨著民用無人機(jī)的使用范圍迅猛發(fā)展，比較有代表性的產(chǎn)品就是航拍系統(tǒng) 。利用無人機(jī)進(jìn)行攝像，可實現(xiàn)不同于人眼角度的拍攝效果。因此研究無人機(jī)的飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)的硬件設(shè)計、飛行器的相關(guān)數(shù)據(jù)測量技術(shù)以及飛行器的自動化控制，占據(jù)很大市場，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計以及檢測與控制技術(shù)設(shè)計多個學(xué)科、多個領(lǐng)域，是綜合技術(shù)的交叉使用。無人機(jī)多姿態(tài)采集的研究有可能在某些層面上取得新的突破， 因此對無人機(jī)多姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集具有很強(qiáng)的理論意義。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體框圖

總體框圖采用兩顆STM32單片機(jī)芯片，分別為STM32F103ZE和STM32F407ZG。STM32F103ZE用 于 無人機(jī)飛控板上，對無人機(jī)的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然后通過nRF24L01無線傳輸模塊發(fā)送給地面上的從機(jī)接收設(shè)備。從機(jī)接收設(shè)備采用STM32F407ZG作為控制芯片。從機(jī)通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中方便在電腦上查看系統(tǒng)狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計可行性分析選擇

2.2.1 主控模塊

方案一：選用STM32系列嵌入式芯片使用8M晶振經(jīng)過PLL鎖相環(huán)倍頻可提供72M系統(tǒng)時鐘和32.768K晶振作為RTC實時時鐘[5] ，共144引腳，1Mflash，196kbSRAM,多串口、支持SPI、IIC等多種通訊方式?？蓾M足復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計并可以使用RT-Thread、uC/OS等實時操作系統(tǒng)。

方案二：選用STC系列單片機(jī)該芯片采用處理器1T單時鐘/ 機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 、工作電壓5V、用戶應(yīng)用程序存儲空間 60KFlash、1280 字節(jié) RAM。內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換模塊, 共8 路，10 位精度ADC，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S，價格低廉。

因為我們所做系統(tǒng)較為復(fù)雜比較以上二種方案，很容易看出，采用方案一，芯片功能強(qiáng)大，軟件設(shè)計也比較簡單，故采用了方案一，采用STM32F103ZE。

2.2.2 RFID收發(fā)模塊

方案一：選用NRF24L01，其工作在2.4GHz~2.5GHz頻段。具有輸出功率大和通信頻道可以通過配置寄存器來實現(xiàn)等優(yōu)點。該模塊工作的功耗比較小，而且有很多模式可以切換，使用方便，它是一個比較常用的無線傳輸模塊。

方案二：選用主控芯片為CC1101的433M無線收發(fā)模塊 。該無線收發(fā)模塊的天線輸入端有選頻電路，主要工作在315MHz和433MHz。該模塊接收靈敏度高，功耗極低，工作電壓為5V，直接由單片機(jī)供電。除此以外，它的芯片設(shè)計和電路設(shè)計都非常優(yōu)秀，抗干擾能力也非常強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

比較以上兩個方案433M模塊有很多優(yōu)點，如抗干擾能力強(qiáng)、功耗很低、穩(wěn)定性好等,雖然CC1101有很多優(yōu)點但傳輸距離不滿足設(shè)計要求。因此，選擇方案一中的NRF24L01作為無線傳輸模塊。

2.2.3 GPS模塊

方案一：選用ubox m8n模塊，m8nGPS模塊 具有體積小、功耗低、支持全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)等特點，但價格稍貴。

方案二：選用ATGM332D模塊。該模塊同樣支持全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)，且板載E2PROM可設(shè)置保存波特率等信息，且價格實惠。

故選用ATGM332D模塊，完全滿足設(shè)計要求。

2.2.4 加速度傳感器模塊

方案一：選用GY521模塊，GY521使用MPU6050芯片，可輸出三軸陀螺儀數(shù)據(jù)和三軸加速度數(shù)據(jù)。通訊方式采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC通訊協(xié)議。內(nèi)置16位AD轉(zhuǎn)換器，16位數(shù)據(jù)輸出。

方案二：選用GY953模塊，GY953使用MPU9250芯片，可輸出三軸陀螺儀 數(shù)據(jù)、三軸加速度數(shù)據(jù)、歐拉角數(shù)據(jù)和磁力計數(shù)據(jù)。通訊方式采用可選擇SPI通信協(xié)議或者串口通訊協(xié)議。

由此可以看出GY953的功能更加齊全，所以這里選用GY953模塊，通訊方式使用串口通訊。

3 多姿態(tài)采集系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 GPS模塊程序設(shè)計

因為GPS模塊采用串口通訊，硬件設(shè)計為串口1所以首先初始化串口void uart_init(u32 bound)；將PA9、PA10引腳設(shè)置為復(fù)用。設(shè)置波特率為115200。然后編寫了一個串口數(shù)據(jù)解析函數(shù)void parseGpsBuffer()；串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)為字符串類型，所以可以使用strstr（）；函數(shù)進(jìn)行字符串拆分，得到系統(tǒng)采樣時間以及經(jīng)緯度信息。

3.2 九軸傳感器模塊程序設(shè)計

九軸傳感器硬件設(shè)計同樣為串口通訊方式，初始化引腳為串口通訊方式后，讀取九軸傳感器數(shù)據(jù)采用查詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)請求。當(dāng)GY953模塊接收到數(shù)據(jù)請求時，會將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給MCU。MCU讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)即可獲得需要的傳感器數(shù)據(jù)。

3.3 軟件算法設(shè)計

本設(shè)計一個使用了兩個算法，一個是卡爾曼算法，一個是PID算法。因為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中避免不了噪聲的干擾，所以程序設(shè)計了卡爾曼濾波算法利用動態(tài)信息有效的去除噪聲干擾，得到可靠的預(yù)估值。PID算法是使用是為了能夠根據(jù)采集到的姿態(tài)信息更加穩(wěn)定的控制驅(qū)動電路，使飛行狀態(tài)更加平穩(wěn)。

[1] 吳成富,馮喆,馬松輝.一種基于紅外傳感器的無人機(jī)姿態(tài)測量方法[D].學(xué)術(shù)論文:西北工業(yè)大學(xué),2012

[2] 楊淑潔,曾慶雙,伊國興.低成本無人機(jī)姿態(tài)測量系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,(10).378-830