基于STM32的陸空雙棲無人機(jī)設(shè)計

摘" 要：針對應(yīng)可陸地行走和空中飛行，以及能夠?qū)崿F(xiàn)手動遙控和自主移動的功能，設(shè)計一種基于多旋翼和行走機(jī)構(gòu)的陸空兩棲無人機(jī)。飛行控制系統(tǒng)以STM32H743為核心，地面控制系統(tǒng)以STM32F103為核心，完成飛行運(yùn)動和地面運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。根據(jù)功能制作樣機(jī)，并對樣機(jī)進(jìn)行陸地行走試驗和二維碼識別定點飛行試驗。試驗中，該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動巡線完成陸地行走到達(dá)目的地，然后根據(jù)指示進(jìn)行起降，空中懸停、識別二維碼，并飛行至指定的飛行終端點等基礎(chǔ)功能與發(fā)揮功能。試驗結(jié)果表明，該小型陸空無人機(jī)巡線準(zhǔn)確，起降平穩(wěn)，能夠根據(jù)二維碼指示成功到達(dá)目的地，實現(xiàn)賽題中列出的各項功能。

關(guān)鍵詞：陸空兩棲；自動巡線；二維碼識別；平穩(wěn)起降；無人機(jī)

中圖分類號：TP31" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0036-05

Abstract： In view of the ability to walk on land and fly in the air， and the ability to realize manual remote control and autonomous movement， a land-air amphibious UAV based on multi-rotor and walking mechanism is designed. The flight control system uses STM32H743 as the core， and the ground control system uses STM32F103 as the core. The hardware design of the flight motion and ground motion control systems has been completed. A prototype was made according to its functions， and the prototype was subjected to land walking tests and QR code recognition fixed-point flight tests. During the test， the aircraft was able to automatically patrol the line and complete land walking to the destination， then take off and land according to the instructions， hover in the air， identify QR codes， and fly to the designated flight terminal point and other basic functions and functions. The test results show that the small land-air UAV patrols accurately， takes off and lands smoothly， and can successfully reach the destination according to the QR code instructions， realizing the various functions listed in the competition questions.

Keywords： land-air amphibious; automatic line patrol; QR code recognition; smooth take-off and landing; UVA

本文根據(jù)2024年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽（高職組）I 題——陸空雙棲無人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)要求，設(shè)計了一種基于多旋翼和行走機(jī)構(gòu)的陸空兩棲無人機(jī)。其中，飛行系統(tǒng)的動力部分來源于無刷電機(jī)，地面系統(tǒng)的動力部分來源于減速電機(jī)。兩棲無人機(jī)在行進(jìn)過程中具備一定的循跡功能、物品抓取投放、二維碼識別、定點懸停及定點降落功能等。該無人機(jī)系統(tǒng)可以自由地在空中和地面2個維度運(yùn)動模式間進(jìn)行切換，克服了輪式無人車越障能力差、多旋翼無人機(jī)能耗高、續(xù)航時間短的缺點，有效地提高了無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動能力，擴(kuò)大了巡航范圍，實現(xiàn)陸空高效率的偵察與物資投放，具有重要意義與價值。

1" 系統(tǒng)設(shè)計

1.1" 總體方案設(shè)計

陸空兩棲無人機(jī)系統(tǒng)由遙控器、地面運(yùn)動系統(tǒng)、空中運(yùn)動系統(tǒng)和抓取組件構(gòu)成，如圖1所示。地面運(yùn)動系統(tǒng)根據(jù)循跡板獲取的信息經(jīng)過處理后，通過驅(qū)動芯片驅(qū)動減速電機(jī)前進(jìn)轉(zhuǎn)彎，到達(dá)終點后由二維碼識別并通過LED指示出結(jié)果。空中運(yùn)動系統(tǒng)通過電調(diào)控制各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠自主切換手動模式和自主飛行模式，并且能夠準(zhǔn)確地識別目標(biāo)終點。抓取組件既要能手動控制抓取目標(biāo)載荷，還能在終點自主釋放。

1.2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1" 地面運(yùn)動系統(tǒng)

地面運(yùn)動系統(tǒng)框圖如圖2所示。由主控模塊、循跡板、驅(qū)動控制模塊、減速電機(jī)、OpenMV、舵機(jī)和LED等部分組成。主控模塊負(fù)責(zé)接收和處理循跡板、OpenMv以及接收機(jī)傳來的信號，經(jīng)過處理后發(fā)給減速電機(jī)、舵機(jī)和LED。

地面運(yùn)動系統(tǒng)主控模塊采用STM32F103C8T6芯片作為控制核心，它具有48個引腳，并配備了32個通用I/O口，集成了SPI、I2C和USART等通信接口，便于對各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，內(nèi)置了4個定時器，能夠輸出多路PWM信號，從而確保驅(qū)動芯片獲得穩(wěn)定PWM波形[1]。本設(shè)計需要使用到2路串口和2個定時器輸出PWM波形。該芯片串口USART1與定時器TIM1，串口USART2與定時器TIM2引腳復(fù)用，所以選擇定時器TIM4的4路輸出作為電機(jī)驅(qū)動的驅(qū)動信號，定時器TIM3的2路輸出控制舵機(jī)。串口USART與循跡板通信，串口 USART2與OpenMV進(jìn)行通信。3路I/O口外接3個LED燈珠用來指示目標(biāo)，2路I/O口外接接收機(jī)用來遙控地面運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動。

循跡板采用的是自制的16路光敏傳感器，如圖3所示，多路傳感器可以應(yīng)對較為復(fù)雜的巡線路徑，但會占用過多的I/O口，所以循跡板上同樣集成了一塊STM32F103C8T6芯片用來處理光敏傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并通過串口與控制芯片進(jìn)行通信，根據(jù)居中行進(jìn)的策略，通過調(diào)整2路電機(jī)的PWM波形的占空比來實現(xiàn)循跡前進(jìn)。

驅(qū)動組件采用390減速電機(jī)搭配2路BTS7960驅(qū)動芯片，如圖4所示。390減速電機(jī)支持12～24 V電壓輸入，堵轉(zhuǎn)電流35 A左右。BTS7960驅(qū)動芯片支持輸入電壓6～27 V，最大電流43 A，輸入電平3.3～5 V，控制方式為兩路PWM或高低電平， 能夠避免因堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致電機(jī)燒毀。兩路芯片通過TIM4的4路輸出比較寄存器的PWM信號進(jìn)行控制2個電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及利用轉(zhuǎn)速差進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

圖像識別模塊采用的是mini OpenMV4機(jī)器視覺模塊，如圖5所示，采用OpenMV IDE開發(fā)平臺，用Python語言編程，內(nèi)置Python解釋器，編程時消息窗提示，免編譯?？勺R別圖像、形狀、直線、人臉、數(shù)字和二維碼等[2]。本設(shè)計主要使用OpenMV4識別二維碼和識別數(shù)字。二維碼在無人機(jī)系統(tǒng)前進(jìn)的正前方，數(shù)字則是在飛行器的下方。所以O(shè)penMV模塊安裝在可90°旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)軸上用來切換視角，舵機(jī)安裝在地面系統(tǒng)的底盤前方。OpenMV與地面系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)均采用串口通信。2個子系統(tǒng)都是接受OpenMV模塊發(fā)送的信息，所以將OpenMV的串口TX線并聯(lián)接到2個子系統(tǒng)的RX線上。

地面運(yùn)動系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)、輪轂、輪胎、抓取組件以及電池倉均采用Solidworks建模軟件進(jìn)行設(shè)計，并利用3D打印機(jī)采用高韌性高強(qiáng)度的PETG耗材和柔性TPU耗材進(jìn)行制作。車體如圖6所示，預(yù)留了主控芯片、驅(qū)動芯片、2路舵機(jī)和LED燈珠的安裝位置，因為定高和定位的需求，無人機(jī)需要向下發(fā)送和接收信號，所以車體同樣預(yù)留飛行系統(tǒng)所用的超聲波傳感器和光流傳感器的安裝位置。

地面運(yùn)動系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)使用同一塊航空鋰電池供電。鋰電池型號為4s 5300mah 45C，提供電壓為14.8～16.8 V。因電池重量較重，為保證整體系統(tǒng)的重心平衡以及接線方便，將電池倉安裝在地面系統(tǒng)與飛行系統(tǒng)之間，用螺絲鎖緊，如圖7所示。

1.2.2" 飛行系統(tǒng)

飛行系統(tǒng)的控制器選擇的是比較主流的開源飛控ACFLY A9，接線圖如圖8所示，該飛控使用STM32H743VIT6芯片作為控制芯片，集成陀螺儀加速度計BMI088、磁羅盤IST8310、氣壓計SPL06，搭載 FreeRTOS 操作系統(tǒng)[3]，源代碼提供清晰的飛控架構(gòu)，超過100+接口函數(shù)，可以非常方便地進(jìn)行二次開發(fā)。支持多傳感器異常檢測智能融合，避免GPS氣壓不穩(wěn)定造成位置波動。傳感器自主切換，不懼單個傳感器異常失效。支持GPS、光流、超聲波等外部傳感器偏移補(bǔ)償，飛控安裝偏移補(bǔ)償，偏移安裝不影響飛行精度。硬件搭好后，可根據(jù)需求在原來的程序框架上進(jìn)行二次開發(fā)。

機(jī)型選擇的是X型四旋翼無人機(jī)機(jī)型[4]，相對于十字形和H型，X型機(jī)型前后左右飛行時加減速電機(jī)較多，操控性好，飛行動力高效。電機(jī)采用郎宇X2212 kV980無刷電機(jī)，支持20～40 A電調(diào)，支持2～4 s電池，搭配8045尼龍螺旋槳，單顆最大拉力840 g，四軸無人機(jī)最大拉力3 360 g，拉力足以帶動整個系統(tǒng)平穩(wěn)飛行。電調(diào)采用的是蜻蜓的30 A電調(diào)。

定高模式需要知道系統(tǒng)當(dāng)前的高度狀態(tài)。ACFLY飛控內(nèi)置的定高系統(tǒng)采用的是氣壓計方案。傳感器是飛控系統(tǒng)的核心組成部分，對飛行器的穩(wěn)定性和定位精度具有很大的影響。氣壓計一般在室外20 m以上才會發(fā)揮較優(yōu)的效果，在室內(nèi)容易受到風(fēng)扇空調(diào)等外界氣壓變化因素的干擾[5]。因此選擇在飛控上外接一個US-100超聲波模塊，如圖9所示。US-100超聲波測距模塊可測距離為2 cm～4.5 m[6]，滿足測試定高為150 cm±10 cm的要求。

無人機(jī)自主飛行的前提，是要有定位系統(tǒng)來獲取精確定位飛機(jī)的位置，以支持飛機(jī)的自主控制、避障和導(dǎo)航等任務(wù)[7]。常規(guī)的室內(nèi)定位方案有光流、激光雷達(dá)、機(jī)器視覺和UWB室內(nèi)定位基站等。處于成本考慮，本文采用LC302光流模塊，如圖10所示，光流模塊通過攝像頭獲取無人機(jī)下面地面畫面，再利用光流懸停智能算法進(jìn)行光流計算，來獲取無人機(jī)在水平二維方向的位移信息[8]。變轉(zhuǎn)換為控制指令通過串口輸出給飛控，來控制飛機(jī)水平移動。實際測試時發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)不能每次都準(zhǔn)確地降落在指定坐標(biāo)，主要原因是測試時間的不同，環(huán)境的光照變化，對光流定位的精度影響較大。因此在光流定位的基礎(chǔ)上，搭配OpenMV視覺模塊輔助定位。無人機(jī)通過光流模塊進(jìn)行粗定位，到達(dá)標(biāo)記上方預(yù)定位置，在通過OpenMV模塊通過模板匹配來獲取無人機(jī)與目標(biāo)的相對位置和姿態(tài)，輔助降落。

1.2.3" 遙控器與抓取組件

遙控器選擇的是樂迪AT9SPRO，如圖11所示。樂迪AT9SPRO支持12通道輸出，其中SwB設(shè)置為急停開關(guān)，SwC設(shè)置用于切換模式（包含任務(wù)模式、定點模式、定高模式），SwE，SwG三段開關(guān)用來控制地面系統(tǒng)左右輪的前進(jìn)停止后退，SwF二段開關(guān)用來控制抓取組件的開合。

遙控器搭配R9DS接收機(jī)如圖12所示，該接收機(jī)支持10通道輸出+SBUS輸出。飛控通過SBUS線與接收機(jī)相連，1到3通道用杜邦線連接到地面系統(tǒng)主控模塊的通用I/O口上，用于手動控制地面運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動和抓取。

抓取組件由3D打印的夾爪加舵機(jī)組成，如圖13所示，舵機(jī)采用SG90 9g舵機(jī)。由于抓取的目標(biāo)載荷是一個3 cm×3 cm×3 cm 的黑色立方海綿，高度較矮。另外車體前部已經(jīng)有循跡板并且安裝在前部會遮擋OpenMV的俯視視角，因此選擇將抓取組件倒置安裝在底盤后部，夾爪距離地面2 cm，方便夾取目標(biāo)物。

1.3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

兩棲系統(tǒng)的程序流程圖如圖14所示，根據(jù)比賽要求，無人機(jī)系統(tǒng)上電后，飛行系統(tǒng)電調(diào)處于上鎖狀態(tài)，地面系統(tǒng)先進(jìn)行道路循跡。當(dāng)循跡板兩端都檢測到信號時，判斷到達(dá)A點后，延時50 ms后，2路電機(jī)停止前進(jìn)。OpenMV模塊始終保持檢測狀態(tài)，當(dāng)檢測到二維碼，將通過串口與主控地面系統(tǒng)芯片進(jìn)行通信，根據(jù)二維碼識別的結(jié)果，點亮對應(yīng)的小燈。之后主控芯片利用PWM信號驅(qū)動舵機(jī)調(diào)整OpenMV視角由正視為俯視，方便后續(xù)輔助降落?；A(chǔ)要求識別后，手動解鎖電調(diào)，無人機(jī)飛行到指定的150 cm±10 cm的高度。無人機(jī)根據(jù)超聲波傳感器的反饋數(shù)據(jù)將無人機(jī)保持在指定的高度，遙控目標(biāo)到目標(biāo)點后，手動降落。提高要求識別后，通過遙控器抓取目標(biāo)物，通過2路遙控通道控制地面系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到目標(biāo)物處，再利用另一路遙控通道控制舵機(jī)抓取目標(biāo)。調(diào)整無人機(jī)位置，進(jìn)入任務(wù)模式自主飛行。任務(wù)模式飛行系統(tǒng)通過串口通信獲取二維碼識別的結(jié)果，并將結(jié)果與原先測算的坐標(biāo)進(jìn)行匹配。無人機(jī)在指定高度到達(dá)目標(biāo)物上方，通過OpenMV識別目標(biāo)數(shù)字，進(jìn)行精準(zhǔn)位置調(diào)整。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地，圖像模塊通過串口通信控制舵機(jī)松開夾爪進(jìn)行拋投。在拋投后，進(jìn)行平穩(wěn)降落。

2" 系統(tǒng)測試

2.1" 實驗測試設(shè)計

比賽賽道圖如圖15所示，地面系統(tǒng)將電路焊接好后，使用數(shù)字電源、萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器等設(shè)備測試焊接是否有問題。再根據(jù)任務(wù)要求單獨測試電機(jī)驅(qū)動、循跡信號、串口通信、識別二維碼是否正常、數(shù)字識別和抓取等功能。

飛行系統(tǒng)單獨組裝，利用GCS PRO地面站進(jìn)行遙控器校準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)置，按鍵定義，手動測試從A點起飛，定高飛行模式是否平穩(wěn)。用keil5將二次開發(fā)的飛控代碼燒錄進(jìn)飛控，利用任務(wù)模式測試定點自主飛行是否能到達(dá)目標(biāo)坐標(biāo)的上方附近，OpenMV輔助降落是否能指示無人機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)點上方。

之后將地面系統(tǒng)和飛行系統(tǒng)用螺絲鎖緊后聯(lián)合測試巡線、自主飛行、物資投放。實物測試如圖16所示。

2.2" 測試數(shù)據(jù)

2.3" 實驗結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，地空雙棲無人機(jī)能夠做到在設(shè)定時間內(nèi)完成循跡、飛行及抓取的要求，由此可以得出以下結(jié)論：①能夠完成自主行駛巡線；②能夠有效識別二維碼；③能夠手動定高飛行；④能夠夾取規(guī)定載荷；⑤能夠自主巡航飛行；⑥能自主釋放貨物功能；⑦能夠平穩(wěn)降落在目標(biāo)點；⑧運(yùn)行時間在規(guī)定要求范圍內(nèi)。綜上所述，本設(shè)計能夠完成要求的基本要求和發(fā)揮要求。

3" 結(jié)束語

本文設(shè)計并制作了一種基于多旋翼和行走機(jī)構(gòu)的陸空兩棲無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)可以實現(xiàn)自動循跡、二維碼識別、物品抓取、定高飛行、自主飛行和定點降落等功能。無人機(jī)利用超聲波傳感器和光流傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行信息采集，以此來進(jìn)行無人機(jī)室內(nèi)飛行的定位導(dǎo)航，利用OpenMV圖像識別技術(shù)輔助定點精準(zhǔn)降落，為無人機(jī)在復(fù)雜情況下長時間偵察、物資拋投、自主飛行提供了一種可行性方案。

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