用于航模探空火箭的遠程控制發射與全程跟蹤系統的研究

項曉強+陳冉+許耀華

摘 要 目前社會的生產生活中，航模探空火箭已經運用到社會的各個方面，如軍用靶機，人工降雨，地形勘探等等。但是從目前來看，航模探空火箭目前還存在著許多問題。目前航模探空火箭的發射都是人工點火，且距離較為接近，具有一定的危險性。除此之外，探空火箭后，由于其速度較快，升空后高度較高，往往無法觀測到火箭發射后的各項數據以及確定火箭降落后的定點位置。因而，本系統主要是解決這兩類問題，采用無線遠程控制發射以及APM飛控+GPS全程監測火箭的實時數據，從而完成對探空火箭的全程跟蹤。

關鍵詞 無線遠程控制；APM；GPS；實時數據與全程跟蹤

中圖分類號 TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）166-0113-02

1 系統總體設計方案

整個系統分成遠程控制發射和全程跟蹤兩大模塊。遠程控制模塊以STC89C52和Siliconlab單片機為主控芯片，主要分成定時、電源，交互、串口通信以及繼電器等4個小模塊，并構成主機和副機兩大分模塊。遠程控制模塊主要功能是實現主機的定時顯示，并在時間到達時，由串口通信模塊像副機上的通信模塊發送脈沖信號，并在此時點火火箭，實現遠距離的控制發射。全程跟蹤模塊以APM飛控和GPS作為主要組成部分，并結合上位機軟件Mission Planner實現對火箭的全程跟蹤。火箭發射后，可在Mission Planner軟件界面上實時監測火箭的速度、高度、升降速度、與航點距離以及火箭在GPS全球定位地圖上的精確位置。除此之外，本系統還可以利用APM飛控自帶的陀螺儀來調節火箭在發射前的姿態，從而實現標準的豎直發射。

2 遠程控制發射部分設計

2.1 主控芯片

根據本系統的設計要求，選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52RC 40I LQFP44，我們采用此芯片作為系統定時、計數、顯示功能的實現，以該芯片為中心，結合定時模塊、串口通信模塊、繼電器模塊，從而構成整個大系統模塊。該芯片結構簡單，價格較低，應用廣泛，以常用的C語言為設計語言，為系統的結構化設計提供了良好的基礎。

2.2 定時模塊

在火箭發射指令下達之前，需對指令進行一定的延時。本系統是通過對主機實現延時，從而控制火箭的發射時機。系統采用的是紅外控制的方式來控制單片機進行有選擇性的定時。定時時間范圍為0s～9s。定時時間的選擇由發射者從紅外遙控器的選擇上來確定[1，3]。

2.3 遠程控制模塊的設計實現方案

整個系統的方案圖如圖1所示，當操控者選擇了所需要的時間時，單片機定時器模塊開始倒數計數，同時并在顯示器上顯示：choosetime_s，Areyousure？當計時器到達零點后，芯片即通過串口通信模塊向以Siliconlab為主控芯片的C10x模塊發送相應的脈沖信號，同時C10x將此信號發送到遠方的副機（接收機），主機與副機都會想起蜂鳴器警報[2，3]，副機并同時為繼電器通電，從而實現點火電路的連通。

3 全程跟蹤模塊

3.1 APM模塊

APM是ArduPilot Mega系列飛控的簡稱，由美國3DRobotics設計，此產品全兼容于Arduino。本系統利用飛控的控制以及數據反映的特性，用來檢測探空火箭的高度、速度、位置等精確的物理信息。本系統采用的是APM飛控。APM飛控系統是國外的一個開源飛控系統，能夠支持固定翼，直升機，3軸，4軸，6軸飛行器。在此，我們只使用它的數據分析與采集的功能來記錄探空火箭的高度、平衡速度、升降速度等精確信息。

APM主控芯片Atmega1280是AVRVI設計生產的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。Atmega1280作為APM飛控的主控芯片，由于APM的商用開源特性，因而我們可以根據一些特定的需要，修改芯片當中已燒錄的程序，也可根據不同環境使用需要，修改部分參數。

3.2 GPS模塊

經過多次論證，本系統采用的是U-blox公司生產的NEO-6M GPS模塊。ATK-NEO-6M-V2.3（V2.3是版本號）是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組。由于其自帶的優秀特性，我們采取該型號芯片來實現在全球定位系統的地圖上對火箭的實時追蹤。可以滿足各種配置需求。模塊還自帶可充電后備電池。

3.3 上位機Mission Planner

Mission Planner，由Michael Oborne開發。其主要用于與APM飛控匹配，作為APM飛控的上位機軟件。其在本系統中主要作用是用來顯示APM模塊和GPS模塊通過數傳模塊傳送回來的數據信息，包括速度、高度、與航點距離、升降速度、地圖定位以及平衡狀態等。

3.4 全程跟蹤模塊的設計實現

全程跟蹤模塊以APM為中心，輔以GPS全球定位系統以及上位機Mission Planner，從而實現所需功能，如圖3所示。在火箭未升空時，我們可以使用上位機界面左上角的陀螺儀平衡檢測區域來調整火箭發射前的狀態，并同時調整，盡量使火箭為標準的豎直狀態。當火箭升空后，我們即可使用上位機的左下方速度檢測區域以及右部GPS地圖檢測區域來監控火箭在空中的實時位置及相關的速度等數據[4]。

4 結論

整個項目系統由遠程控制模塊和全程跟蹤模塊構成。以STC、Atmega、Siliconlab主控芯片為基礎進行模塊拓展，構成了整個系統模塊。從而實現了系統所需的相關功能。本文設計出遠距離的安全發射裝置，以C10X-433MHz的無線透明傳輸模塊為基礎，理論上的最遠極限距離可達到1km，做到了理想中的遠距離的安全發射。全程跟蹤模塊以APM飛行控制模塊為基礎，搭載GPS全球定位系統，配合Mission Planner上位機，實現了良好的全數字化、圖像化的追蹤功能。APM系列飛控原主要用于多軸以及固定翼等無人機上，本系統創新性的將APM飛控搭載到了航模探空火箭上，解決了軍民在使用探空火箭時的一些定位問題。總的來說，將來探空火箭市場將會出現電磁發射的方式，會顛覆以往火箭發射的模式。

參考文獻

[1]譚浩強.C語言程序設計[M].4版.北京：清華大學出版社，2010.

[2]童詩白.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，2009.

[3]郭天祥.51單片機C語言教程[M].1版.北京：電子工業出版社，2009.

[4]楊陽.基于APM開源飛控平臺的四軸旋翼飛行器[J].信息通信，2015（8）：68.