無(wú)人機(jī)三維空域監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/曹景真 汪濤 周鼎森

（中國(guó)民航大學(xué) 天津市 300300）

1 概述

在當(dāng)前市場(chǎng)上，無(wú)人機(jī)體積小，飛行高度低，速度慢，在飛行過(guò)程中自由度大，其飛行狀態(tài)人為因素?fù)诫s度高，無(wú)人機(jī)狀態(tài)信息不能有效獲取。本文基于4G通信技術(shù)，將無(wú)人機(jī)上搭載的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放功能，對(duì)空域內(nèi)裝載此系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)形成全方位、多角度監(jiān)視。

2 系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)三維空域監(jiān)視系統(tǒng)主要由飛行數(shù)據(jù)采集及4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、飛行數(shù)據(jù)庫(kù)、上位機(jī)等四部分組成。圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。飛行數(shù)據(jù)采集及4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊集成了姿態(tài)傳感器、氣壓傳感器、GPS接收機(jī)等傳感器，是本系統(tǒng)的核心部分。將其裝載到無(wú)人機(jī)上，可實(shí)時(shí)采集飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)航向、姿態(tài)、高度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將以上信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于實(shí)現(xiàn)前端上位機(jī)的數(shù)據(jù)解析顯示以及進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄回放功能。

在數(shù)據(jù)采集及傳輸過(guò)程中需要用到多種通信協(xié)議與傳輸方式，通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存與超視距傳輸。其中傳感器與核心控制單元的數(shù)據(jù)傳輸方式為串口通信。MCU收到各傳感器采集數(shù)據(jù)后，需要對(duì)其進(jìn)行解析、濾波等處理，同時(shí)判斷數(shù)據(jù)的有效性，只有有效數(shù)據(jù)才會(huì)上傳服務(wù)器，減小干擾造成的數(shù)據(jù)精度誤差。機(jī)載終端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)給機(jī)載端設(shè)備進(jìn)行編碼，通過(guò)特定格式的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器端。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)包根據(jù)不同的無(wú)人機(jī)識(shí)別碼、飛行參數(shù)類型等分辨標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解碼、分類，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，上位機(jī)提取數(shù)據(jù)庫(kù)中分類信息進(jìn)行可視化處理，供用戶查看所有配置機(jī)載設(shè)備的無(wú)人機(jī)在一定時(shí)段內(nèi)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群的監(jiān)視。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1：無(wú)人機(jī)三維空域監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖2：系統(tǒng)硬件裝配圖

如圖2所示，系統(tǒng)中硬件部分采用的核心微控制器是意法半導(dǎo)體公司（ST公司）生產(chǎn)的STM32F405RGT6芯片，其以帶有FPU的ARM32位Cortex-M4為內(nèi)核，最高工作頻率168MHz，擁有1兆字節(jié)的閃存和192+4Kbytes的SRAM，包括64-CCM（核心耦合閃存）數(shù)據(jù)的千字節(jié)內(nèi)存；外圍延拓15個(gè)通信接口，其中3個(gè)I2C接口，4個(gè)USART/2個(gè)UART接口（傳輸速率10.5Mbits/s，支持ISO7816通信協(xié)議、LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)器控制），3個(gè)SPI接口(傳輸速率42Mbits/秒），2個(gè)CAN總線接口（2.0B有源），以及USB2.0全速設(shè)備/主機(jī)/OTG控制器接口；擁有17個(gè)定時(shí)器，最多12個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)32位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道；64個(gè)I/O端口。與其他單片機(jī)相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)要求。

圖3：SIM7600CE通信子系統(tǒng)電路原理圖

圖4：定位子系統(tǒng)與姿態(tài)感測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5：地面測(cè)試情況顯示

同時(shí)本系統(tǒng)還圍繞核心處理器搭建多個(gè)外圍硬件電路，用以保障數(shù)據(jù)采集與核心部分的正常工作；

實(shí)驗(yàn)室安全是高等院校校教學(xué)和科研工作順利完成的先決條件，也是國(guó)家財(cái)產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)人員安全的重要保證[1]。而醫(yī)學(xué)院校因?yàn)槠鋵I(yè)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室的安全管理顯得更為重要，由于其管理不善所引發(fā)的都是損失慘重的大事件[2-4]。比如，在2009年，浙江某所醫(yī)學(xué)高校誤將實(shí)驗(yàn)室的一氧化碳?xì)怏w接到了學(xué)習(xí)室，從而導(dǎo)致一位在讀博士的無(wú)辜中毒死亡等事故。類似的眾多事件告訴我們： 現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)院校實(shí)驗(yàn)室安全管理體系比較落后，操作過(guò)程中存在較大的漏洞，必須通過(guò)完善其安全管理評(píng)價(jià)體系，在宏觀上減少管理上的疏漏，才能最大程度地避免和減少相關(guān)安全事故的發(fā)生。

（1）復(fù)位電路：選用的單片機(jī)復(fù)位模式為低電平復(fù)位，當(dāng)單片機(jī)第7個(gè)引腳會(huì)收到一個(gè)短暫的低電平信號(hào)進(jìn)行，核心控制部分自復(fù)位；

（2）供電電路：初始輸入電壓為直流5V，經(jīng)過(guò)MIC29302WU進(jìn)行降壓處理，將電壓降至3.8V給SIM7600CE供電；同時(shí)在主控板上圍繞AMS1117電源芯片、兩個(gè)22uF電容等器件搭建5V-3.3V降壓電路，給STM32F405RGT6單片機(jī)提供3.3V供電電壓，保證其正常工作；

（3）下載電路；本主控板集成兩種下載方式；A:借助CH340芯片將USB信號(hào)轉(zhuǎn)化為T(mén)TL電平，寫(xiě)入單片機(jī)。B:SWD模式下載，借助J-LINK下載器將SWCLK連接到PA14，將SWDIO連接到PA13，下載器提供3.3V參考電平，進(jìn)行程序燒寫(xiě)。

圖6：實(shí)際測(cè)試情況對(duì)比

圖7：飛行器實(shí)時(shí)姿態(tài)與偏轉(zhuǎn)角度

圖8：飛行器三軸加速度變化情況

由于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中涉及飛行參數(shù)種類多、數(shù)據(jù)量大，并且在空域中需要監(jiān)視3架以上的無(wú)人機(jī)，所以在傳輸過(guò)程中一定要保證數(shù)據(jù)的有效傳輸，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)串?dāng)_。并且考慮其監(jiān)視功能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫矐?yīng)相應(yīng)較快。

為此在芯片選型上選擇SIM7600CE模塊，其具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可以提供GSM語(yǔ)音、短消息等業(yè)務(wù)，在GPRS模式下的數(shù)據(jù)上行/下行最大速率為85.6Kbps。并且SIM7600CE模塊的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一8位雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器（TXB0108PW）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為STM32單片機(jī)串口（USART1）可以捕獲到的信號(hào)。如圖3所示。

在監(jiān)視系統(tǒng)中，采用BDS/GNSS全星座定位導(dǎo)航模塊ATGM336H。其為中科微第四代低能耗GNSS SOC單芯片，支持的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有：中國(guó)的北斗定位系統(tǒng)、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)等。它還可以同時(shí)接受6個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航和授時(shí)。在數(shù)據(jù)輸出方面，數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)USART作為主要輸出通道，輸出模式按照NMEA0183協(xié)議格式輸出。

為獲取穩(wěn)定且精度高的姿態(tài)數(shù)據(jù)與高度數(shù)據(jù)，此子系統(tǒng)采用JY-901B模塊，其內(nèi)置三軸加速度計(jì)、三軸角速度計(jì)、三軸角度計(jì)、三軸磁力計(jì)以及氣壓計(jì)。并且在傳感器上還集成了32位高性能的Cortex-M0內(nèi)核處理器，可以進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，同時(shí)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)解算，使用卡爾曼濾波得出高精度、高性能的飛行數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸方面可以選擇兩種傳輸方式：I2C和USART，其中I2C支持多機(jī)連接。在本設(shè)計(jì)中，我們使用了USART傳輸模式，與單片機(jī)的USART2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器數(shù)據(jù)解析方法

5 測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 地面靜態(tài)測(cè)試

將該系統(tǒng)放置于地面靜止，同時(shí)與上位機(jī)建立通信，將收到的數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類呈現(xiàn)。通過(guò)圖5，上位機(jī)數(shù)據(jù)界面包含的數(shù)據(jù)類型有：時(shí)間信息、三軸加速度信息、磁場(chǎng)方向、周圍環(huán)境氣壓值及溫度值、GPS信息等。

5.2 飛行過(guò)程測(cè)試

在定位子系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，將接收到的GPS信息通過(guò)串口發(fā)送給STM32單片機(jī)，經(jīng)過(guò)串口助手對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，如圖6所示串口接收到的經(jīng)緯度信息輸入到地圖中可以看到：定位地址與實(shí)際測(cè)試地點(diǎn)位置相符，差值在允許范圍內(nèi)。

圖9：按飛行階段劃分的應(yīng)急機(jī)制流

如圖7所示，當(dāng)前飛行器的滾轉(zhuǎn)角（參數(shù)X）為45.54°，俯仰角（參數(shù)Y）為-10.90°，偏航角（參數(shù)Z）為-58.33°。

圖8左為測(cè)試時(shí)間內(nèi)飛行器三軸加速度以及其在時(shí)間段內(nèi)的變換情況，右半部分為監(jiān)視無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)顯示，當(dāng)前狀態(tài)為向左轉(zhuǎn)彎。飛行航向指示見(jiàn)右下方。

6 系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制設(shè)計(jì)

通過(guò)參照民航客機(jī)飛行特點(diǎn)以及相關(guān)飛行參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)出如圖9所示的應(yīng)急機(jī)制流程，此流程將分為以下4個(gè)部分：

6.1 爬升階段

當(dāng)民航客機(jī)爬升迎角超過(guò)一定值時(shí)，升力將會(huì)急速下降，導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)失速危險(xiǎn)。所以在此系統(tǒng)中使用姿態(tài)傳感器解算出監(jiān)視無(wú)人機(jī)的迎角數(shù)據(jù)，當(dāng)爬升迎角超過(guò)門(mén)限值時(shí)，此時(shí)上位機(jī)端會(huì)提示對(duì)應(yīng)架次無(wú)人機(jī)出現(xiàn)失速風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)失速警告狀態(tài)被觸發(fā)時(shí)，可以通過(guò)人工操縱或者無(wú)人機(jī)反饋控制使其產(chǎn)生一個(gè)低頭動(dòng)作，保持一定的升力繼續(xù)進(jìn)行爬升。

6.2 巡航階段

當(dāng)監(jiān)視無(wú)人機(jī)爬升到一定高度時(shí)，本系統(tǒng)將主要對(duì)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的速度參數(shù)、角運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。

在速度監(jiān)視模式下，本系統(tǒng)在水平飛行速度、垂直升降速度參數(shù)上設(shè)置閾值；在角運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)視模式下，本系統(tǒng)在側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角速度、偏航角速度參數(shù)上設(shè)定閾值；在高度監(jiān)視模式下，本系統(tǒng)根據(jù)飛行環(huán)境中的地形參數(shù)設(shè)定高度限制范圍。

在此飛行階段，超出/不滿足對(duì)應(yīng)模式下的閾值范圍都將會(huì)觸發(fā)應(yīng)急機(jī)制，上位機(jī)也會(huì)彈出警告，提醒監(jiān)視員/操縱者采取措施。

6.3 進(jìn)近階段

考慮到飛行環(huán)境的復(fù)雜性以及對(duì)受監(jiān)視無(wú)人機(jī)的保護(hù)作用，本系統(tǒng)設(shè)定下滑角限制包線，當(dāng)超出此限制包線時(shí)，將不利于受監(jiān)視無(wú)人機(jī)的著陸。

同時(shí)，在下降過(guò)程中，考慮到突發(fā)因素以及飛行環(huán)境因素可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響，本系統(tǒng)中的加速度計(jì)部分將解算出受監(jiān)視無(wú)人機(jī)的垂直加速度。當(dāng)無(wú)人機(jī)單發(fā)/多發(fā)失效時(shí)，垂直軸向加速度將出現(xiàn)急劇變化。

6.4 禁飛區(qū)攔截

根據(jù)現(xiàn)有地圖并參考飛行區(qū)域內(nèi)機(jī)場(chǎng)給出的禁飛區(qū)域，本系統(tǒng)使用多個(gè)地理坐標(biāo)點(diǎn)，劃定出一電子圍欄。當(dāng)監(jiān)視無(wú)人機(jī)距離電子圍欄任一邊界500m時(shí)，上位機(jī)將彈出警告，提示入侵危險(xiǎn)；當(dāng)監(jiān)視無(wú)人機(jī)距離電子圍欄50m時(shí)，上位機(jī)將彈出緊急情況通告，提醒監(jiān)視員采取強(qiáng)制方式阻止無(wú)人機(jī)入侵。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了無(wú)人機(jī)三維空域監(jiān)視設(shè)計(jì)，從硬件部分元器件選型、核心控制單元及其外設(shè)電路設(shè)計(jì)，到飛行參數(shù)解算、上位機(jī)設(shè)計(jì)以及飛行狀態(tài)評(píng)估。將硬件設(shè)備搭載到待監(jiān)視無(wú)人機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)傳回與狀態(tài)監(jiān)視，為當(dāng)前無(wú)人機(jī)監(jiān)管領(lǐng)域提供有效的技術(shù)方案。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然存在不足之處，比如硬件設(shè)計(jì)對(duì)于當(dāng)前所有無(wú)人機(jī)的適配性還未形成完全評(píng)估，對(duì)于是否可以集成到無(wú)人機(jī)內(nèi)部電路還有待考慮。在后續(xù)的研發(fā)中，本團(tuán)隊(duì)將針對(duì)不同的無(wú)人機(jī)機(jī)型展開(kāi)兼容性研究，盡可能將本設(shè)計(jì)與多個(gè)型號(hào)的無(wú)人機(jī)適配。