一種無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

韓浩東，薛俊杰，牛鵬鍇，謝文杰，李雪晴

（1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京，211106；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳） 電子與信息工程學(xué)院，廣東深圳，211106；3.南京航空航天大學(xué)長(zhǎng)空學(xué)院，江蘇南京，211106）

0 引言

無(wú)人機(jī)這一概念最早在20世紀(jì)出現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)落后，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)事故頻發(fā)，并未得到重視。隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)相關(guān)的技術(shù)快速更新，逐漸在生活和軍事領(lǐng)域有了大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，由于管控、審核制度不完善，各種各樣的無(wú)人機(jī)未經(jīng)審批隨意在空中試飛，造成了許多事故，對(duì)地面人員的安全與財(cái)產(chǎn)造成了不良的影響。因此，本文在在充分研究國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全性相關(guān)研究和工作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)的總體規(guī)劃

無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)主要包括無(wú)人機(jī)部分，數(shù)據(jù)鏈路部分以及地面站系統(tǒng)，經(jīng)設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1，相關(guān)說(shuō)明如下。

圖1 無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

無(wú)人機(jī)部分主要包含有無(wú)人機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)，機(jī)載傳感采集終端與各種機(jī)載傳感器。無(wú)人機(jī)的主要功能是搭載傳感模塊與飛控計(jì)算機(jī)執(zhí)行任務(wù)，飛控計(jì)算機(jī)的主要功能是對(duì)無(wú)人機(jī)的電機(jī)進(jìn)行控制，從而改變無(wú)人機(jī)的航向以及飛行速度，機(jī)載傳感器采集終端與傳感器的功能主要是采集各傳感器信息。

數(shù)據(jù)鏈路部分采用數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行無(wú)人機(jī)與地面站之間的數(shù)據(jù)的上傳與命令的下達(dá)。

地面站系統(tǒng)主要包括操控控制臺(tái)，顯示臺(tái)，協(xié)議處理單元，數(shù)據(jù)傳輸模塊，天線(xiàn)與供電系統(tǒng)。操控系統(tǒng)用于控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)；顯示臺(tái)用于顯示無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息；協(xié)議處理單元用于解讀與無(wú)人機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)幀；數(shù)據(jù)傳輸模塊用于傳輸數(shù)據(jù)幀；供電系統(tǒng)用于給地面站中的各個(gè)部件進(jìn)行供電。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)人機(jī)選型，飛控計(jì)算機(jī)選型，傳感器選型，機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)與機(jī)載傳感器采集終端設(shè)計(jì)。

無(wú)人機(jī)主要分為固定翼以及多旋翼。固定翼類(lèi)型的特點(diǎn)是工作時(shí)間長(zhǎng)，抗風(fēng)性能好，但其缺點(diǎn)是市面上上不常見(jiàn)，價(jià)格貴，同時(shí)操作不易。與之相反，多旋翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是操控造價(jià)相對(duì)低廉，市場(chǎng)中常見(jiàn)的也多為多旋翼無(wú)人機(jī)?？紤]到設(shè)計(jì)需要，最終選用四旋翼無(wú)人機(jī)。

在本設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)考慮決定無(wú)人機(jī)采用ZD680機(jī)架（ZD680 代表軸距680mm），采用此機(jī)架的原因是四旋翼無(wú)人機(jī)的軸距越大，無(wú)人機(jī)飛行越穩(wěn)。電機(jī)方面，采用致盈動(dòng)力x3508電機(jī)，同時(shí)采用 1555型號(hào)槳。通過(guò)查閱電機(jī)參數(shù)，按電機(jī)功率 60%進(jìn)行計(jì)算，一個(gè)電機(jī)拉力為 0.92KG，總拉力為3.68KG，市場(chǎng)中的采用該機(jī)架的無(wú)人機(jī)自重約為 2KG，因此保守預(yù)計(jì)無(wú)人機(jī)載重可達(dá)1KG以上，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。電池方面采用 8000MAH 6S 22.2V 的電池給無(wú)人機(jī)進(jìn)行供電，同時(shí)配有分電板，能夠?qū)㈦姵厮峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換為 5V 或12V。

市場(chǎng)上可選的飛控計(jì)算機(jī)較多，考慮到無(wú)人機(jī)操控的安全性，本設(shè)計(jì)中采用PIXHAWK飛控。PIXHAWK 飛控是在APM飛控上進(jìn)行改進(jìn)，延續(xù)了APM飛控中的優(yōu)點(diǎn)，這款飛控計(jì)算機(jī)采用了雙處理器，強(qiáng)大運(yùn)算的32位STM32F427芯片以及 32位STM32F103協(xié)處理器，滿(mǎn)足了更復(fù)雜的代碼算法運(yùn)算處理。將設(shè)置好的飛控計(jì)算機(jī)代碼燒寫(xiě)進(jìn)飛控計(jì)算機(jī)中，同時(shí)配有所需的傳感器用于感知飛機(jī)的狀態(tài)信息，當(dāng)飛控計(jì)算機(jī)解鎖后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著讀取各傳感器的信息，如姿態(tài)傳感器的姿態(tài)信息，定位模塊的位置信息，根據(jù)傳感器所采集的信息解算出無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)。之后接收控制臺(tái)所傳輸?shù)目刂菩畔?，解算出用?hù)期望的飛行姿態(tài)，與實(shí)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，將獲得的差值放入PID調(diào)節(jié)器中，最后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行無(wú)人機(jī)電機(jī)的控制。

根據(jù)需求得知需要采用壓力傳感器模塊測(cè)量壓力高度，采用姿態(tài)傳感器測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)信息，采用定位模塊測(cè)量無(wú)人機(jī)位置以及指示空速。①壓力傳感模塊采用 MS5611-01BA 模組。②姿態(tài)傳感模塊采用GY-25傾斜度模塊，該模塊內(nèi)部集成了MPU6050芯片，將其測(cè)量的模擬量，如俯仰角等轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過(guò) USART，向外部輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)。③定位模塊采用 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，該模塊通過(guò)串口，利用 ASCII 碼的方式輸出模塊所采集到的各項(xiàng)信息。通過(guò)解讀所傳遞的 ASCII 碼，可獲得各個(gè)衛(wèi)星提供多種信息。

機(jī)載傳感器采集終端主控芯片選用STM32F103RBT6芯片，該芯片有3路異步串行接收口，2個(gè)同I2C 接口，2個(gè)串行外設(shè)接口，同時(shí)還提供有CAN 接口， USB 接口等，功能強(qiáng)大。芯片的供電電壓為3.3V，設(shè)計(jì)供電原理如圖2所示。

圖2 供電設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括機(jī)載傳感器采集終端程序設(shè)計(jì)與地面站顯示臺(tái)程序設(shè)計(jì)。機(jī)載傳感采集終端程序流程圖如圖3所示，流程圖說(shuō)明如下。

圖3 機(jī)載傳感采集終端程序流程圖

程序首先進(jìn)行接口初始化，接著獲取 GPS 模塊提供的信息，如高度信息，速度信息和位置信息。再獲取壓力傳感器模塊信息，如壓力信息與溫度信息。最后獲取姿態(tài)模塊信息，如偏航角，俯仰角和翻滾角。將所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理打包成一幀的字符串，通過(guò)串口1再上傳給地面站。之后，再次重新獲取傳感器信息，整理打包數(shù)據(jù)，繼續(xù)上傳，如此循環(huán)。

（1）接口初始化

接口初始化包括串口初始化， I2C 初始化，延時(shí)初始化以及 LED 初始化。串口初始化，I2C 初始化以及 LED 的初始化主要是設(shè)置單片機(jī)的 GPIO 輸入或輸出方式，使能 GPIO上的時(shí)鐘，為之后的工作進(jìn)行準(zhǔn)備。延時(shí)初始化主要是確定外部時(shí)鐘，準(zhǔn)備好定時(shí)器。

（2）獲取姿態(tài)模塊信息

姿態(tài)模塊傳遞的信息包括偏航角，翻滾角與俯仰角，具體說(shuō)明如下：首先控制板發(fā)送 AT 指令請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)，然后串口等待是否有數(shù)據(jù)返回，若沒(méi)有則繼續(xù)等待數(shù)據(jù)。采集到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一個(gè)解析，取出所需的偏航角，翻滾角與俯仰角并保存這些數(shù)據(jù)。

（3）整理打包所獲取數(shù)據(jù)并上傳

將所保存的數(shù)據(jù)取出，放入字符串中，同時(shí)采用標(biāo)點(diǎn)符號(hào)將不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)隔開(kāi)。將即將發(fā)送的字符串通過(guò)串口1，逐個(gè)字節(jié)地發(fā)送出去。

地面站系統(tǒng)中的顯示臺(tái)是通過(guò)QT搭建于電腦中。由地面站功能需求分析可以知道，地面站系統(tǒng)顯示臺(tái)需要能夠獲取無(wú)人機(jī)一系列狀態(tài)信息。所需要的端口號(hào)可由地面人員自行進(jìn)行設(shè)計(jì)，確認(rèn)端口號(hào)后再將其設(shè)置到傳感控制模塊的ESP8266內(nèi)即可。接收信息窗口中，用于記錄和展示搭載于無(wú)人機(jī)上的傳感控制模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈。對(duì)這些數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行解析，就可以得到無(wú)人機(jī)的狀態(tài)信息信息，同時(shí)這些信息也有展示在顯示臺(tái)相應(yīng)的框中。發(fā)送消息窗口僅在測(cè)試顯示臺(tái)與傳感模塊數(shù)據(jù)通信時(shí)使用，系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)發(fā)送窗口并不使用。而地面站系統(tǒng)中的控制臺(tái)為一個(gè)遠(yuǎn)程遙控器。地面人員利用遙控器通過(guò) WIFI 將指令傳輸給無(wú)人機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

試飛準(zhǔn)備：將所研制的傳感系統(tǒng)裝在所購(gòu)買(mǎi)的無(wú)人機(jī)上，利用束扣，膠帶等捆綁物件將飛控計(jì)算機(jī)，機(jī)載傳感采集終端等硬件固定在無(wú)人機(jī)上，避免無(wú)人機(jī)試飛時(shí)機(jī)載設(shè)備出現(xiàn)損毀的情況。

地面站功能驗(yàn)證：到學(xué)校操場(chǎng)進(jìn)行無(wú)人機(jī)試飛，驗(yàn)證地面站系統(tǒng)的功能可行性。最終結(jié)果與預(yù)期一致，地面站系統(tǒng)能夠正常工作，接收無(wú)人機(jī)所下發(fā)的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)地面站系統(tǒng)也能夠?qū)o(wú)人機(jī)下達(dá)動(dòng)作指令，進(jìn)行無(wú)人機(jī)的操控，顯示臺(tái)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖3 車(chē)牌定位、分割和識(shí)別結(jié)果

圖4 實(shí)驗(yàn)中顯示臺(tái)工作頁(yè)面

5 結(jié)論

本章根據(jù)無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)的功能性需求，對(duì)無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，之后詳細(xì)設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件部分與軟件部分，最終成功研制了一種無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，進(jìn)行無(wú)人機(jī)試飛，成功測(cè)得了無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)，并顯示在地面站顯示臺(tái)上，用于檢測(cè)無(wú)人機(jī)的安全性，并且能夠控制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，防止在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)事故，成功驗(yàn)證了所研制的無(wú)人機(jī)安全性檢測(cè)系統(tǒng)的功能符合預(yù)期要求。