基于嵌入式ARMv7的監測飛行器系統設計

燕麗紅，林志雄，王 灝

（1.西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安710065；2.莆田學院 機電工程學院，福建 莆田 351100）

智能飛行器是指由無線電地面遙控飛行或和自主控制飛行的可垂直起降的不載人飛行器[1]。近年來,智能飛行機技術日趨成熟,性能不斷完善,逐步向小型化、智能化、隱身方向發展[2-3]，其更多地用于抗震救災，交通管制等領域。而地震等各種自然災害頻發且災害的不可預知性及發生災害地點的特殊地貌特征，使救援人員一般很難在第一時間進入災區獲取到災情信息，或是在不利于人工作業的地區進行勘探和偵察，對災區救援工作帶來很大的不便。因此，采用先進的技術設計一款智能，小型化的飛行器能實時進行災區情況監測就顯得尤為重要。本系統在嵌入式ARMv7架構下，通過模塊化思想設計了一款重量輕、動力足、可以遠程操控和自主導航飛行的飛行器。

1 系統的總體設計

1.1 系統總體設計框圖

該系統采用嵌入式為開發平臺，通過模塊化的思想進行了智能監控飛行器系統設計，主要由主控模塊、飛行控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊、動力模塊等五大模塊組成。其中飛行器系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 飛行器系統總體設計框圖Fig.1 Scheme of flight vehicle system

1.2 系統各模塊功能分析

1）主控模塊

本系統采用博創物聯網嵌入式UP－CUPIOT A8－II平臺作為主控單元，主要負責接收和處理采集模塊發送的數據、在接收無線傳輸模塊發送的控制指令的同時并向飛行控制模塊發送飛行器控制指令，將實時視頻數據和傳感器數據通過無線傳輸模塊發送至控制端。該平臺內置Cortex－A8核心[4]，基于ARMv7架構的應用處理器，具有強大的NEONTM信號處理擴展集，含ZigBee無線傳感器模塊、RFID射頻讀卡模塊、Bluetooth藍牙通訊模塊、GSM/GPRS通訊模塊。另外可直接外擴多種通訊模塊，如WIFI、3G、GPS等，能夠滿足各種應用的需求。

2）飛行控制模塊

該模塊主要包括陀螺儀、加速度傳感器、重力傳感器、氣壓計、電子羅盤等傳感器[5]，各部分的功能如下：

陀螺儀：三軸陀螺儀的功能主要在空中檢測飛行器的飛行姿態。當飛行器發生偏轉時，檢測并通過積分計算出偏轉的角度，實時了解飛行器的飛行狀態，從而進行飛行姿態的校正。

加速度傳感器：利用了其內部加速度造成晶體變形的特性產生電壓。本系統通過加速度傳感器來獲取當前飛行器在三維空間里的線性加速度，配合陀螺儀傳感器，進而計算當前的飛行姿態。

重力傳感器：可以測量出當前飛行器與重力方向的夾角，從而判斷出飛行器是否處于水平狀態。同時，通過重力傳感器測量由于重力引起的加速度，可以計算出飛行器相對于水平面的傾斜角度。

氣壓計：能自動連續記錄氣壓隨時間的變化。通過計算氣壓的變化，便可以粗略計算出當前飛行器的海拔高度，配合信息采集模塊中的超聲波傳感器，便可以精確測量出當前飛行的高度。

電子羅盤：電子羅盤也叫數字指南針，是利用地磁場來定北極的一種方法。通過電子羅盤，飛行器便可以精確得出當前飛行器的方向，從而檢測飛行器是否發生了旋轉，并且校正當前的方向角度。

3）信息采集模塊

該模塊主要包括如下傳感器：

超聲波測距：采用了類似雷達的原理，通過向外發射超聲波，并接收反射回的超聲波，從而精準的計算出當前距離障礙物的距離。超聲波測距模塊可提供3 cm～3.5 m的非接觸式距離感測功能。本系統通過超聲波測距，測量出當前飛行器精確的高度。也可通過超聲波測距模塊，循環讀取高度信息，從而自動調整螺旋槳動力大小，實現定高懸停及自動降落。

攝像頭：攝像頭（CAMERA）負責采集視頻信號。本系統攝像頭模塊采用中星微ZC301視頻芯片，該處理芯片讓視頻的處理速度更快，它可以在640x480及800x600的分辨率下輕松達到30fps的速度，能夠保證視頻的流暢傳輸，徹底消除跳躍感，并可以充分利用網絡傳輸帶寬。

人體紅外傳感器：基于紅外線技術的自動控制模塊，本傳感器[6]采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產品。因為該模塊可以檢測到地下5～7 m的人體紅外，本系統通過該模塊來檢測飛行器下方是否有生還者。如果發現生還者，則立即向控制者發出警示。

4）無線通信模塊

該模塊主要由具有USB接口的WIFI無線網卡和2.4G的射頻模塊組成。通過驅動USB無線網卡，并搭建AD－HOC點對點網絡，實現飛行器與手持終端（如智能手機、平板電腦）和PC之間的通信。采樣2.4G的射頻模塊和遙控器之間進行通信。

5）動力模塊

動力模塊主要包括：無刷電子調速器、XXD 2212無刷電機。

無刷電子調速器：電子調速器（Electronic Speed Controller），簡稱ESC。它可以根據控制信號調節電動機的轉速。

無刷電機：無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，本系統通過主控模塊發送電子調速器的控制信號，控制4個電機不同的轉速，從而改變飛行器的飛行動作。

2 系統的硬件設計

2.1 信息采集模塊總體電路設計

信息采集模塊主要由 DS18B20（溫度傳感器）、HCSR501（人體紅外傳感器）、HC－SR04（超聲波測距傳感器）等幾部分組成，其中這三者之間和contex－A8總體電路圖如圖2所示。

圖2 信息采集模塊總體電路圖Fig.2 Circuit diagram of Information acquisition module

2.2 信息采集各分模塊的電路設計

1）HC－SR501人體紅外感應模塊

HC－SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，低電壓工作模式，能廣泛應用于各類自動感應電器設備。

2）DS18B20溫度傳感器

DS18B20采用單線接口通信的方式，結構簡單無需其他元件電路，抗干擾能力強，適合于多種環境下的溫度采集。

3）HC-SR04超聲波傳感模塊

超聲波傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器原理圖Fig.3 Circuit diagram of Ultrasonic sensors

3 系統的軟件設計

3.1 飛行器的總體工作過程

首先由遙控器控制飛行器起飛，主控模塊開始控制飛控模塊[7]，將飛控模塊的各傳感器數據采集到主控模塊，主控模塊進行數據處理分析，控制飛行器達到穩定飛行狀態。其次，主控模塊控制信息采集模塊，將各種傳感器信息采集后，由主控模塊進行數據處理，經過無線通訊模塊將數據發送至pc終端或手持設備（平板電腦、手機），完成數據的處理。

3.2 飛行器飛行控制流圖

控制端和飛行器建立通信之后，利用無線通信向飛行器發送控制指令，無線通信模塊將數據接收，并發送給主控模塊，主控模塊對指令進行識別，并向飛行控制模塊發出信號，飛行控制模塊最終控制動力模塊做出相應的指令。其飛行控制流圖如圖4所示。

圖4 飛行控制流圖Fig.4 General workflow of flight vehicle control

3.3 飛行器實時視頻采集流圖

主控模塊通過控制信息采集模塊中的攝像頭，讀取實時視頻信息，并通過M-JPEG STREAMER發送視頻流，最終通過無線通信模塊發送給控制端，其流圖如圖5所示。

圖5 視頻采集流圖Fig.5 General workflow of Video acquisition

3.4 飛行器傳感器實時數據采集

主控模塊通過控制信息采集模塊中的傳感器，讀取傳感器采集的實時數據信息，將傳感器數據寫入XML文件，最終通過無線通信模塊發送給控制端，控制端再通過解析XML文件獲取到傳感器實時數據信息，并做出顯示，其流圖如圖6所示。

圖6 傳感器數據采集流圖Fig.6 General workflow of sensor

4 系統功能測試

本系統可以在Android系統中[8]，通過飛行器上搭建的BOA服務器，下載飛行器上的傳感器數據XML文件[9]，并在手持終端的應用程序中進行XML文件解析，以讀取實時的監控信息。遙控器通過2.4 G射頻與飛行器相通信。

PC機通過飛行器上搭建的BOA服務器，可以直接讀取飛行器發送來的視頻流，同樣通過解析XML文件的方式，讀取飛行器上的傳感器數據。與手持終端不同的是，PC機上不需要額外安裝客戶端或配置環境，打開飛行器搭建的網頁即可進行數據接收。手持終端顯示如圖7所示，PC端顯示如圖8所示。

圖7 平板電腦控制端顯示Fig.7 Display of Handheld terminals

圖8 PC機控制端顯示Fig.8 Display of PCterminals

5 結 論

本系統采用嵌入式UP-CUPIOT A8-II平臺，結合數據采集模塊和無線通信模塊設計了一款飛行控制系統。該飛行器具有重量輕、體積小、動力足、機動靈活和安全性高等優點，同時該系統結合當前嵌入式物聯網電子技術，使其具有超低空機動飛行、定點懸停降落、實時視頻采集、生命探測等功能，可以廣泛應用在城市交通探測、地震偵察救援、氣象監測等領域。

[1]孫雪，安敬蕊.無人直升機飛行控制系統的設計與實現[J].電子設計工程，2013（10）：91-93.SU Xue，AN Jing-rui.The design and realization of flight control system for unmaned helicopter[J].Electronic Design Engineering，2013（10）：91-93.

[2]陳天華，郭培源.小型無人機自主飛行控制系統的實現[J].航天控制，2006，24（5）:86-89.CHEN Tian-hua，GUO Pei-yuan.Realization of autonomous flight control system of mini-unmaned aerial vehicles[J].Aerospace Control， 2006，24（5）:86-89.

[3]徐存東，趙東方，苗耀洲.一種新型無人機飛行控制系統的設計[J].儀表技術，2009（9）：10-12.XU Cun-dong，ZHAO Dong-fang，MIAO Yao-zhou.A hardware design of flight control system for UAV[J].Instrumentation Technology，2009（9）：10-12.

[4]吳佳楠，王偉，吳成富.關于提高無人機飛控系統生存力的研究[J].航空制造技術，2009（18）:34-37.WUJia-nan，WANGWei，WUCheng-fu.Research on enhancing surviability of UAV flight control system[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2009（18）:34-37.

[5]郝恩敬，肖前貴，李志宇.小型無人機飛行控制器硬件設計[J].信息化研究，2009，35（8）:51-54.HAO En-jing，XIAO Qian-gui，LI Zhi-yu.Hardware design of small UAV flight controller[J].Informatization Research，2009，35（8）:51-54.

[6]韓建斌，朱紀洪，章恒，等.基于DSP的總線式飛控系統[J].航天控制，2006，24（5）:63-67.HAN Jian-bin，ZHU Ji-hong，ZHANG Heng，et al.A busstructure flight control system based on DSP[J].Aerospace Control，2006，24（5）:63-67.

[7]王奕，曾國貴，黃一敏，等.基于uC/OS-II的無人直升機飛行控制軟件設計[J].直升機技術，2007，150（2）：45-48.WANG Yi，ZENG Guo-gui，HUANG Yi-min，et al.The design of unmanned helicopter’s flight control software based on uC/OS-II[J].Helicopter Technique，2007，150（2）：45-48.

[8]黃海陽，吳錘紅.一種基于單片機的紅外遙控信號解碼新方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，12（7）:30-33.HUANG Hai-yang，WU Chui-hong.A new method of infrared remote control signal decoder Based on microcomputer[J].Microcontroller and Embedded System，2012，12 （7）:30-33.

[9]蘇丹，任開春，何春晗.ARM嵌入式系統中觸摸屏的中斷控制方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2010，10（5）:71-72.SU Dan，REN Kai-chun，HE Chun-han.Interrupt control method of touch screen in the ARM embedded system[J].Microcontroller and Embedded System，2012，12（7）:30-33.