用于航模探空火箭的遠程控制發(fā)射與全程跟蹤系統(tǒng)的研究

項曉強+陳冉+許耀華

摘 要 目前社會的生產(chǎn)生活中，航模探空火箭已經(jīng)運用到社會的各個方面，如軍用靶機，人工降雨，地形勘探等等。但是從目前來看，航模探空火箭目前還存在著許多問題。目前航模探空火箭的發(fā)射都是人工點火，且距離較為接近，具有一定的危險性。除此之外，探空火箭后，由于其速度較快，升空后高度較高，往往無法觀測到火箭發(fā)射后的各項數(shù)據(jù)以及確定火箭降落后的定點位置。因而，本系統(tǒng)主要是解決這兩類問題，采用無線遠程控制發(fā)射以及APM飛控+GPS全程監(jiān)測火箭的實時數(shù)據(jù)，從而完成對探空火箭的全程跟蹤。

關(guān)鍵詞 無線遠程控制；APM；GPS；實時數(shù)據(jù)與全程跟蹤

中圖分類號 TP39 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）166-0113-02

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

整個系統(tǒng)分成遠程控制發(fā)射和全程跟蹤兩大模塊。遠程控制模塊以STC89C52和Siliconlab單片機為主控芯片，主要分成定時、電源，交互、串口通信以及繼電器等4個小模塊，并構(gòu)成主機和副機兩大分模塊。遠程控制模塊主要功能是實現(xiàn)主機的定時顯示，并在時間到達時，由串口通信模塊像副機上的通信模塊發(fā)送脈沖信號，并在此時點火火箭，實現(xiàn)遠距離的控制發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛控和GPS作為主要組成部分，并結(jié)合上位機軟件Mission Planner實現(xiàn)對火箭的全程跟蹤?；鸺l(fā)射后，可在Mission Planner軟件界面上實時監(jiān)測火箭的速度、高度、升降速度、與航點距離以及火箭在GPS全球定位地圖上的精確位置。除此之外，本系統(tǒng)還可以利用APM飛控自帶的陀螺儀來調(diào)節(jié)火箭在發(fā)射前的姿態(tài)，從而實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的豎直發(fā)射。

2 遠程控制發(fā)射部分設(shè)計

2.1 主控芯片

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52RC 40I LQFP44，我們采用此芯片作為系統(tǒng)定時、計數(shù)、顯示功能的實現(xiàn)，以該芯片為中心，結(jié)合定時模塊、串口通信模塊、繼電器模塊，從而構(gòu)成整個大系統(tǒng)模塊。該芯片結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，應(yīng)用廣泛，以常用的C語言為設(shè)計語言，為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2 定時模塊

在火箭發(fā)射指令下達之前，需對指令進行一定的延時。本系統(tǒng)是通過對主機實現(xiàn)延時，從而控制火箭的發(fā)射時機。系統(tǒng)采用的是紅外控制的方式來控制單片機進行有選擇性的定時。定時時間范圍為0s～9s。定時時間的選擇由發(fā)射者從紅外遙控器的選擇上來確定[1，3]。

2.3 遠程控制模塊的設(shè)計實現(xiàn)方案

整個系統(tǒng)的方案圖如圖1所示，當(dāng)操控者選擇了所需要的時間時，單片機定時器模塊開始倒數(shù)計數(shù)，同時并在顯示器上顯示：choosetime_s，Areyousure？當(dāng)計時器到達零點后，芯片即通過串口通信模塊向以Siliconlab為主控芯片的C10x模塊發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號，同時C10x將此信號發(fā)送到遠方的副機（接收機），主機與副機都會想起蜂鳴器警報[2，3]，副機并同時為繼電器通電，從而實現(xiàn)點火電路的連通。

3 全程跟蹤模塊

3.1 APM模塊

APM是ArduPilot Mega系列飛控的簡稱，由美國3DRobotics設(shè)計，此產(chǎn)品全兼容于Arduino。本系統(tǒng)利用飛控的控制以及數(shù)據(jù)反映的特性，用來檢測探空火箭的高度、速度、位置等精確的物理信息。本系統(tǒng)采用的是APM飛控。APM飛控系統(tǒng)是國外的一個開源飛控系統(tǒng)，能夠支持固定翼，直升機，3軸，4軸，6軸飛行器。在此，我們只使用它的數(shù)據(jù)分析與采集的功能來記錄探空火箭的高度、平衡速度、升降速度等精確信息。

APM主控芯片Atmega1280是AVRVI設(shè)計生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。Atmega1280作為APM飛控的主控芯片，由于APM的商用開源特性，因而我們可以根據(jù)一些特定的需要，修改芯片當(dāng)中已燒錄的程序，也可根據(jù)不同環(huán)境使用需要，修改部分參數(shù)。

3.2 GPS模塊

經(jīng)過多次論證，本系統(tǒng)采用的是U-blox公司生產(chǎn)的NEO-6M GPS模塊。ATK-NEO-6M-V2.3（V2.3是版本號）是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組。由于其自帶的優(yōu)秀特性，我們采取該型號芯片來實現(xiàn)在全球定位系統(tǒng)的地圖上對火箭的實時追蹤?？梢詽M足各種配置需求。模塊還自帶可充電后備電池。

3.3 上位機Mission Planner

Mission Planner，由Michael Oborne開發(fā)。其主要用于與APM飛控匹配，作為APM飛控的上位機軟件。其在本系統(tǒng)中主要作用是用來顯示APM模塊和GPS模塊通過數(shù)傳模塊傳送回來的數(shù)據(jù)信息，包括速度、高度、與航點距離、升降速度、地圖定位以及平衡狀態(tài)等。

3.4 全程跟蹤模塊的設(shè)計實現(xiàn)

全程跟蹤模塊以APM為中心，輔以GPS全球定位系統(tǒng)以及上位機Mission Planner，從而實現(xiàn)所需功能，如圖3所示。在火箭未升空時，我們可以使用上位機界面左上角的陀螺儀平衡檢測區(qū)域來調(diào)整火箭發(fā)射前的狀態(tài)，并同時調(diào)整，盡量使火箭為標(biāo)準(zhǔn)的豎直狀態(tài)。當(dāng)火箭升空后，我們即可使用上位機的左下方速度檢測區(qū)域以及右部GPS地圖檢測區(qū)域來監(jiān)控火箭在空中的實時位置及相關(guān)的速度等數(shù)據(jù)[4]。

4 結(jié)論

整個項目系統(tǒng)由遠程控制模塊和全程跟蹤模塊構(gòu)成。以STC、Atmega、Siliconlab主控芯片為基礎(chǔ)進行模塊拓展，構(gòu)成了整個系統(tǒng)模塊。從而實現(xiàn)了系統(tǒng)所需的相關(guān)功能。本文設(shè)計出遠距離的安全發(fā)射裝置，以C10X-433MHz的無線透明傳輸模塊為基礎(chǔ)，理論上的最遠極限距離可達到1km，做到了理想中的遠距離的安全發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛行控制模塊為基礎(chǔ)，搭載GPS全球定位系統(tǒng)，配合Mission Planner上位機，實現(xiàn)了良好的全數(shù)字化、圖像化的追蹤功能。APM系列飛控原主要用于多軸以及固定翼等無人機上，本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將APM飛控搭載到了航模探空火箭上，解決了軍民在使用探空火箭時的一些定位問題?？偟膩碚f，將來探空火箭市場將會出現(xiàn)電磁發(fā)射的方式，會顛覆以往火箭發(fā)射的模式。

參考文獻

[1]譚浩強.C語言程序設(shè)計[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]郭天祥.51單片機C語言教程[M].1版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]楊陽.基于APM開源飛控平臺的四軸旋翼飛行器[J].信息通信，2015（8）：68.