基于STC15W4K的自動(dòng)避障四軸飛行器設(shè)計(jì)

李承駿　商凱迪　朱凱飛

摘要：本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器控制CPU采用STCl5W4K32S4單片機(jī)，充分利用其接口和存儲(chǔ)資源豐富的特點(diǎn)，通過超聲波傳感器與氣壓計(jì)檢測(cè)飛行器的飛行高度、陀螺儀檢測(cè)飛行器的平衡狀態(tài)、GPS實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，結(jié)合藍(lán)牙無線電路收發(fā)數(shù)據(jù)，并使用PID算法對(duì)飛行器進(jìn)行飛行控制計(jì)算，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障導(dǎo)航功能的四軸飛行器。多次飛行試驗(yàn)表明自動(dòng)避障導(dǎo)航系統(tǒng)能較好地執(zhí)行飛行任務(wù)，達(dá)到既定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；STCl5W4K；自動(dòng)避障；導(dǎo)航

中圖分類號(hào)V2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2015）12-0065-01

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)

四軸飛行器自動(dòng)避障導(dǎo)航系統(tǒng)包括機(jī)載控制系統(tǒng)平臺(tái)和地面站遙控平臺(tái)及地面站監(jiān)測(cè)平臺(tái)。機(jī)載系統(tǒng)通過無線模塊與地面站遙控平臺(tái)和檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行通信。機(jī)載控制系統(tǒng)包括無線模塊、藍(lán)牙模塊、超聲波避障模塊、陀螺儀模塊、飛控板、GPS定位模塊、電機(jī)信號(hào)功率放大電路、STCl5W4K32S4主處理器模塊等。地面站遙控平臺(tái)主要由藍(lán)牙模塊、輸入模塊以及處理器模塊組成；地面站監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要由無線模塊、顯示模塊以及處理器模塊組成。

本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器，要求能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。

1）通過自制的地面站遙控平臺(tái)控制飛行器按一般飛行器的飛行模式飛行外，還能夠切換到定點(diǎn)模式和自動(dòng)避障導(dǎo)航模式。

2）能夠利用地面站遙控平臺(tái)發(fā)送目標(biāo)地點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)給飛行器。

3）當(dāng)切換到自動(dòng)避障導(dǎo)航模式后，飛行器能夠自動(dòng)繞開障礙物順利到達(dá)目標(biāo)位置后平穩(wěn)降落。

4）能夠通過地面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站查看當(dāng)前飛行器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括前方、上方和下方障礙物的距離，當(dāng)前經(jīng)緯度及前傾（俯仰）、側(cè)傾（翻滾）、油門和偏航信號(hào)的大小。

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

四軸飛行器地面站遙控平臺(tái)、地面站監(jiān)測(cè)平臺(tái)及機(jī)載系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分別介紹如下。

1）地面站遙控平臺(tái)硬件組成部分有STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源電路、雙搖桿手柄模塊、PCF8591A/D轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙通訊模塊等模塊。

2）地面站監(jiān)測(cè)平臺(tái)硬件組成部分有STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源電路、12864液晶顯示模塊、無線通訊模塊等模塊。

3）機(jī)載系統(tǒng)硬件組成部分有四軸飛行器飛行系統(tǒng)及電子控制系統(tǒng)等模塊，其中電子控制系統(tǒng)主要由STCl5W4K32S4單片機(jī)最小系統(tǒng)、機(jī)載電池、穩(wěn)壓電源電路、ARM飛控板、GPS、超聲波、陀螺儀、藍(lán)牙、無線等模塊組成。機(jī)載系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)復(fù)雜的功能分解成功能單一、接口簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、容易理解的功能子程序模塊，然后由主程序按照規(guī)定順序流程調(diào)用子程序，方便調(diào)試和修改。軟件總體框圖如圖2所示。

機(jī)載系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化：GPS開關(guān)復(fù)位為打開，超聲波定高開關(guān)復(fù)位為關(guān)閉，LED燈關(guān)斷，PWM輸出端口初始化為低，超聲波12C串行總線初始化為空閑狀態(tài)，串口初始化內(nèi)容包括設(shè)置串口通信方式為方式1，波特率為9600，1位停止位，無校驗(yàn)位。初始化完成后進(jìn)入大循環(huán)中，首先進(jìn)行判斷串口一幀數(shù)據(jù)是否接收完成，如果接收完成則處理一幀數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入判斷超聲波定高是否打開，如果超聲波打開則進(jìn)行超聲波定高處理，否則進(jìn)入PWM初值轉(zhuǎn)載判斷環(huán)節(jié)，若上一次初值裝載完成，則進(jìn)行初值重新裝載，否則等待PWM初值裝載完成。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障導(dǎo)航功能，需要對(duì)障礙物進(jìn)行距離測(cè)量，對(duì)反饋數(shù)據(jù)處理后送入飛控處理，由飛控發(fā)出飛行姿態(tài)調(diào)整的指令，并向地面站發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)進(jìn)行，完成飛行任務(wù)。飛行流程如圖3所示。

4.實(shí)驗(yàn)情況

完成后的系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。經(jīng)實(shí)際試飛實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障功能，較好地執(zhí)行了飛行任務(wù)，達(dá)到了既定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5.總結(jié)

本文基于STCl5W4K32S4單片機(jī)，利用其豐富的集成功能，采用模塊化的硬件設(shè)計(jì)思想和模塊化的軟件編程思想，完成了自動(dòng)避障系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了飛行器自動(dòng)導(dǎo)航與避障功能?？紤]到四軸飛行器廣闊的應(yīng)用前景，該設(shè)計(jì)有著良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。