基于Atmega168PA-AU的消防飛行器控制系統(tǒng)設計

周雨峰　唐龍　胡遠望

摘? 要：文章設計了一款基于Atmega168PA-AU單片機消防飛行器控制系統(tǒng)，用于無人機進行消防偵察和救援。系統(tǒng)采用Atmega168PA-AU芯片和陀螺儀MURATENC-03RC芯片作為飛行控制器，通過2.4G無線和藍牙模塊進行無線通信獲取實時圖像，使用四個電子調速器，實現(xiàn)無刷電機調速。測試表明，無人機能按照預先設定的軌跡平穩(wěn)飛行，飛行器動態(tài)性能良好，接受圖像信號清晰，使得技術人員能根據(jù)相關信息制定相應火災救援措施。

關鍵詞：單片機;消防;救援;飛行器

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）18-0036-02

Abstract： In this paper， a fire control aircraft control system based on Atmega168PA-AU single chip microcomputer is designed， which is used for fire reconnaissance and rescue of UAV. The system uses Atmega168PA-AU chip and gyroscope MURATENC-03RC chip as flight controller， obtains real-time image through 2.4G wireless and Bluetooth module wireless communication， and uses four electronic governors to realize brushless motor speed regulation. The test shows that the UAV can fly smoothly according to the pre-set trajectory， the dynamic performance of the aircraft is good， and the image signal is clear， so that the technicians can formulate the corresponding fire rescue measures according to the relevant information.

Keywords： single chip microcomputer; fire fighting; rescue; aircraft

引言

近些年火災安全問題日益嚴重，2019年的四川涼山森林火災事件讓30名消防員失去了生命，澳大利亞的林火造成至少24人死亡、5億只動物喪生，數(shù)百棟民居和數(shù)千公頃土地被毀。如采用無人機作為消防救援型飛行器可以識別林場中的火苗、識別受困人群，還可以快速前往投放物資施救，或能減少人員犧牲和財產損失。無人機可以分為：傘翼、旋翼、固定翼無人機。本文選用常見的四旋翼無人機進行設計。

1 總體設計

本設計中的無人機用于森林消防的偵察和救援，因此要對火災發(fā)生位置進行航空攝像，并能對受困人員投遞一些質量較小的物品等。整個無人機的電子裝置分為地面和機載兩大部分：地面設備包括發(fā)射機、信號接收模塊和地面監(jiān)控系統(tǒng);機載模塊包括單片機、陀螺儀、加速度計、氣壓傳感器、GPS模塊、攝像頭、無線通信模塊、電子調速器、電機以及電池和電顯報警器。系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 飛行控制器

飛行控制器是系統(tǒng)的核心模塊，它用來讀取傳感器數(shù)據(jù)，檢測并控制飛行器的飛行姿態(tài)，并通過無線通信模塊使飛行器和地面發(fā)射機進行通訊，還可以控制攝像鏡頭視角變化等。系統(tǒng)的飛行控制器，采用了高性能、低功耗的8位AVR微處理器單片機Atmega168PA-AU芯片和陀螺儀MURATENC-03RC芯片。

Atmega168PA-AU芯片和三個MURATENC-03RC傳感器都集成在飛控板上。這樣避免導線的連接也減少外部的干擾。飛行控制器采用6組輸出通道，為了用于不同的環(huán)境，體現(xiàn)了靈活性。并采用6針I(yè)SP下載器接口，它的優(yōu)點是方便簡單，而且減少板子的復雜程度，飛行控制器采用SMD貼片工藝，它最大的特點是可以縮小飛行控制器的面積、體積，使得飛行器美觀，整體重量也減小。

用三個電位器改接三個陀螺儀的感度（一般情況不需要調節(jié)）。利用飛行器上三軸陀螺儀（角速度數(shù)據(jù)）進行積分，得到三軸角度，再使用調速度計的數(shù)據(jù)（三軸重力）對陀螺儀積分進行校準就得到較為可靠地三軸角度值了，也就是無人機的姿態(tài)感知。

傳感器模塊包括：氣壓傳感器，GPS模塊。MCU與這些傳感器之間采用了SPI串口通信。據(jù)研究大氣氣壓與海拔高度存在一定函數(shù)關系，根據(jù)當前氣壓即可求出當前海拔高度。因此可以用測量氣壓方式判斷無人機的飛行高度，MCU將讀取氣壓值經(jīng)過運算后可以解析出飛行器的海拔高度。GPS模塊用于測量無人機的地理位置。MCU讀取GPS模塊接收到的方位信息，并將其經(jīng)過轉換，從而解析出飛行器的方向、經(jīng)度、緯度等。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用了兩個無線模塊，分別是藍牙（Blue tooth）模塊、2.4G無線模塊。其中藍牙模塊用于傳輸飛行器的環(huán)境信息和監(jiān)測信息;2.4G無線模塊用于飛行器和地面監(jiān)控平臺之間的通信，采集飛行器的飛行軌跡和姿態(tài)。

2.3 電子調速器

本系統(tǒng)采用了四個電子調速器，為了給無刷電機調速。電子調速器又稱“電調”當電子調速器接受不同的控制信號時，它就會輸出不同的功率給無刷電機，從而改變無刷電機的轉速。一個無刷電機配一個電子調速器。它的一端接飛行控制器，一端接無刷電機。

2.4 電源模塊

飛行器采用規(guī)格為3S1P/11.1V/2200mah/25C的Li-Po聚合物鋰離子電池。由于飛行器需要重量輕，功率大的電源的原因，它由3個單元的鋰電池組合而成，鋰電池每個單元的電壓3.7V左右。鋰電池可以提供11.1V的電壓，它的最大放電電流可以達到50A。它能為四軸飛行器持續(xù)提供長達15分鐘的動力。

2.5 電顯報警器模塊

電顯報警器用來顯示鋰電池的電壓，并兼有低電壓報警功能。當鋰電池放電到一定電壓時（鋰電池的電量不能完全用光，否者電池就算報廢了），電顯報警器發(fā)出警報，四軸飛行器及時降落，防止飛行器不會因斷電從天空摔落下?lián)p壞。

2.6 發(fā)射機

采用-天地飛6通道的發(fā)射機（遙控器），為了飛行器向左、向右及各個方向飛行。主要用于控制飛行器的飛行。它能控制直線距離大于700米的飛行器。發(fā)射機采用FLASPEED原生2.4G技術。直接高速總線驅動，避免中間延時，極大提高了操控敏捷。而且它基于DSSS擴頻技術的高端“擴頻+跳頻”通信系統(tǒng)，超高干擾性，可進行60臺2.4G系統(tǒng)同時工作而互不干擾。

3 軟件設計

按照系統(tǒng)設計要求飛行器，將系統(tǒng)的軟件設計分成以下模塊，包括發(fā)射機控制模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、飛行控制模塊、視頻信號接收模塊。系統(tǒng)主要是根據(jù)發(fā)射機（遙控器）發(fā)送指令控制飛行器飛行的姿態(tài)。當系統(tǒng)上電后，首先進行無線模塊初始化，然后控制搖桿復位，系統(tǒng)讀取搖桿的電位，并根據(jù)搖桿電位計算控制搖桿的偏移量，經(jīng)過通訊協(xié)議編碼，經(jīng)無線通信芯片發(fā)送至飛行器。然后系統(tǒng)讀取飛行器的飛行參數(shù)包括飛行器的速度、高度和空間位置，解析飛行器的姿態(tài)，同時飛行器讀取無線通信芯片傳輸過來的數(shù)據(jù)，調整飛行姿態(tài)，包括起飛、懸停降落、前進、后退、翻轉等，然后讀取攝像頭的視頻信號，并將視頻信號疊加飛行參數(shù)發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。最后判斷是否自動駕駛，如是則根據(jù)氣壓傳感器，GPS傳感器的參數(shù)自動調整飛行姿態(tài);如否則根據(jù)控制搖桿的信號調整飛行姿態(tài)。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖2所示。

4 測試與驗證

在設計并制作飛行器后對其進行詳細的測試。首先飛行軌跡測試中，飛行器能按照地面發(fā)射機的搖桿控制進行起飛、懸停降落、前進、后退、翻轉，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，飛行器的響應時間小于1秒，響應實時性較好，并且地面接受的圖像信號清晰，能夠攜帶質量較輕的小物品，基本滿足設計要求。

5 結束語

本文設計了基于單片機的消防飛行器的硬件電路和軟件系統(tǒng)，經(jīng)過測試實行可以高難度的飛行姿態(tài)，具有較強的爬升能力，能采集視頻圖像，而且穩(wěn)定性能很好。盡管飛行器采用了大容量的鋰電池，但是飛行器的負載大，導致續(xù)航時間不是很長。下一步可以通過更換更大的鋰電池或者減少一些不必要的負載。讓飛行器能持久的續(xù)航，將使其真正走向實際應用。

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