基于K60的四軸飛行器環境信息采集系統設計

伏 勛, 任曉明，賈永興,羅 楨，高華平

(上海電機學院 電氣學院，上海 200240)

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基于K60的四軸飛行器環境信息采集系統設計

伏 勛, 任曉明，賈永興,羅 楨，高華平

(上海電機學院 電氣學院，上海 200240)

為能全面實時地采集環境信息數據，設計了四軸飛行器環境信息采集系統。本設計采用Freescale K60微控制器作為主控芯片，MPU6050慣性測量傳感器和AK8975三軸磁羅盤作為慣性導航單元，使用PID控制算法并以PWM方式驅動三相無刷電機，從而控制四軸飛行器飛行姿態。通過2.4 GHz和5.8 GHz頻段將采集到的溫/濕度、PM2.5/PM10濃度、攝像頭采集圖像等信息傳輸到控制臺。經測試，該系統滿足不同環境下及時采集數據、有效視頻監測的要求，對實際現場監測有一定的應用價值。

四軸飛行器；環境信息采集；K60微處理器

0 引言

近年來空氣污染引起了公眾的熱議，如何有效、及時地處理空氣污染問題成為焦點。本文基于環境信息數據的采集，設計了四軸飛行器環境信息采集系統。傳感器技術和控制理論的不斷發展，尤其是微電子和微機械技術的逐步成熟，使四軸飛行器的自主飛行控制得以實現，并成為國際上的研究熱點[1]。

文獻[1] 采用STM32系列32位處理器作為主控制器，使用ADIS16355慣性測量單元等傳感器用于姿態信息檢測，使用PID控制算法進行姿態角的閉環控制。文獻[2] 采用 STM32作為主控芯片，三軸加速度傳感器MPU6050作為慣性測量單元，通過2.4 GHz無線模塊和遙控板進行通信，最終使用PID控制算法以PWM方式驅動電機實現了四軸飛行器的設計。文獻[3]采用 ARM處理器控制無刷直流電機，并且通過加速度傳感器和陀螺儀的反饋數據進行飛行器的平衡控制和姿態調節。

本文設計了四軸飛行器環境信息采集系統，以K60微處理器為核心，采用慣性測量模塊MPU6050姿態獲取技術，搭建四軸飛行器控制系統。設計包括四軸飛行器控制、環境信息采集、控制臺三部分。其中，四軸飛行器采用人工遙控控制；環境信息采集以模塊化為主，將圖像、溫濕度、PM2.5和PM10各個模塊進行數據采集顯示輸出；控制臺負責數據交互與遙控。

1 系統設計方案

根據四軸飛行器實際的飛行需求和設計要求，系統采用主控單元K60采集環境信息，處理由溫濕度檢測模塊、PM2.5/ PM10檢測模塊反饋的數據，并在參數顯示器上顯示；TS832發射端將攝像頭采集到的圖像信息通過工作頻率5.8 GHz無線傳輸到遙控器上的RC832接收端，并反映到圖像顯示器；領航者飛行控制器采用STM32F407VG芯片控制算法求解電機轉速，連接T6EHP-E接收機，通過2.4 GHz頻段與遙控器進行無線傳輸，由遙控器操作四軸飛行器執行相應指令，實現電機轉速調整，進而實現姿態控制。系統設計框圖如圖1。

圖1 系統設計框圖

2 硬件設計

2.1 四軸飛行控制器

四軸飛行控制器的核心有MPU6050慣性測量傳感器、AK8975三軸磁羅盤、MS5611高精度氣壓儀。MPU6050慣性測量傳感器驅動方式采用I2C接口，時鐘引腳 SCL連接到控制器的PB6，數據引腳連接到控制器的PB7，數據中斷引腳連接到控制器的PD7，其硬件原理圖如圖2所示。

圖2 MPU6050硬件原理圖

AK8975三軸磁羅盤帶有高敏感度霍爾傳感器，通過增強信號處理器體系結構，實現寬動態測量范圍和低電流消耗，不需外部時鐘[4]。

MS5611高精度氣壓儀由壓阻傳感器和傳感器接口組成，將測量的補償模擬氣壓值經ADC轉換成24位數字輸出，采用I2C串行接口，串行時鐘SLCK和串行數據SDA與外部控制器進行數據傳輸[5]，其硬件原理圖如圖3所示。

圖3 MS5611硬件原理圖

設計選用F450型號的四軸飛行器機架，該飛行器載重量大、穩定性強、加裝區域大、姿態控制簡單。四軸飛行器采用人工遙控控制，通過飛機前部攝像頭，將拍攝的影像傳給遙控器，并在顯示器上顯示，有利于操作人員對飛行器做出正確控制。

2.2 環境信息采集

2.2.1 圖像信息的采集

本系統采用700線攝像頭、TS832發射端和RC832接收端，攝像頭模塊拍攝現場狀況，反饋到機架上的圖像收發模塊，通過5.8 GHz頻段無線傳輸到遙控器上的圖像收發模塊，反映到圖像顯示器(4.3英寸)上。圖4所示為四軸飛行器飛行過程中拍攝到的一張圖像。

圖4 實拍圖像

2.2.2 溫濕度檢測模塊

本系統采用的是DHT11數字溫濕度傳感器模塊。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保其具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性，傳感器包括一個電阻式溫濕元件和一個NTC測溫元件，并且與一個高性能的8位單片機相連接。

通過溫濕度檢測模塊來檢測環境中的溫濕度，通過K60單片機來處理傳感器反饋的數據，該數據通過2.4 GHz頻段無線傳輸到遙控器上的環境參數顯示器上，得到某一天的溫濕度數據如表1。

表1 溫濕度數據

2.2.3 PM2.5和PM10濃度采集

本系統采用SDS011激光PM2.5傳感器，能夠得到空氣中 0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，對PM2.5濃度及PM10濃度進行檢測。其具有數據準確、響應快速、集成度高、分辨率高、數據穩定可靠、數字化輸出等特點[6]。

通過SDS011激光PM2.5傳感器來采集環境中的各種參數，經K60單片機處理傳感器反饋的數據，該數據通過2.4 GHz頻段無線傳輸到遙控器上的環境參數顯示器上。得到幾組PM2.5和PM10濃度的日變化數據，如表2所示。將測得數據與當地氣象局監測數據作比較，其PM2.5有±1.2%偏差，PM10有±2.4%偏差，測量結果準確度較高。

表2 PM2.5/PM10濃度日變化數據 (μg/m3)

2.2.4 顯示反饋數據

本系統采用0.96英寸OLED液晶屏連接到K60芯片上，實時顯示數據，如圖5所示。

圖5 實時數據顯示

2.3 控制臺

控制臺部分的研究涉及到遙控、OLED顯示、圖像顯示、無線數據傳輸。OLED顯示和圖像顯示已在環境信息采集中介紹。數據無線傳輸選用nRF24L01+無線接收模塊。nRF24L01+是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。其擁有極低的電流消耗：當工作在發射模式下，發射功率為6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。nRF24L01+模塊和K60單片機的連接圖如圖6所示。

圖6 nRF24L01+模塊和K60單片機的連接圖

3 軟件設計

系統采用模塊化結構設計，使用IAR開發環境，系統功能組態更加方便。基本程序模塊有溫濕度采集模塊、PM2.5/PM10采集模塊、OLED顯示模塊、nRF24L01+無線收發模塊等，各個模塊既能獨立地實現各部分功能，又可以共同工作達到系統的設計要求。

3.1 數據發送

主控芯片K60按照中斷時間間隔向DTH11溫濕度傳感器、PM2.5傳感器發送起始信號，將讀出的溫濕度、PM2.5/PM10等信息進行整理校驗后，通過無線收發模塊發送給控制終端，數據采集程序流程圖如圖7所示。采用定時器中斷的方式完成采集任務，本設計采用每2 200 ms PIT0中斷一次，采集一次數據。由于時間間隔較短，各傳感器的數據顯示不斷更新，從而能夠實時檢測到各環境參數的變化情況。

圖7 數據采集程序流程圖

3.2 數據接收

在中斷時間到達后，K60主控芯片發送指令，nRF24L01+模塊接收數據，判斷數據是否正確，如果數據正確，則進行OLED顯示，否則繼續接收數據。數據接收程序設計流程圖如圖8所示。

圖8 數據接收流程圖

4 結論

本文介紹了四軸飛行器環境信息采集系統的設計，提出了系統的整體設計方案，并分別對系統的軟硬件進行設計。系統以K60為主控制器，通過2.4 GHz和5.8 GHz無線模塊進行通信控制，通過MPU 6050進行姿態獲取，使用反饋控制算法進行電機控制。安裝調試后，驗證了該系統可以實現四軸飛行器的姿態控制；攝像頭正常拍攝影像且實時發送給遙控端接收器；飛機在飛行時能夠采集環境中的溫度、濕度、PM2.5、PM10等信息，并且能夠通過2.4 GHz頻段無線傳輸到控制臺。

[1] 劉峰，呂強，王國勝，等.四軸飛行器姿態控制系統設計[J].計算機測量與控制，2011，19(3)：583-585.

[2] 常國權，戴國強.基于STM32的四軸飛行器飛控系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015，15(2)：29-32.

[3] 陳海濱，殳國華.四旋翼飛行器的設計[J].實驗室研究與探索，2013，32(3)：41-44.

[4] 李堯．四旋翼飛行器控制系統設計[D].大連：大連理工大學，2013.

[5] BOUABDALLAH S. Design and control of quadrotors with application to autonomous flying[D].Switzerland:Lausanne EPFL,2007.

[6] 付佳賀．四軸飛行器的設計與研究[D].成都：電子科技大學，2015.

伏勛(1991-)， 女，碩士研究生，主要研究方向：電氣智能化控制與檢測。

任曉明(1977-)，男，博士，副教授，主要研究方向：高壓測試技術及雷電防護。

Design of the quadrocopter environmental information acquisition system based on K60

Fu Xun，Ren Xiaoming，Jia Yongxing， Luo Zhen，Gao Huaping

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University， Shanghai 200240, China)

In order to collect environmental information data in real time, the quadrocopter environment information collection system was designed. The design used Freescale K60 microcontroller as the master chip, inertial measurement sensor MPU6050 and three axis magnetic compass AK8975 as inertial navigation unit. The design used PID control algorithm and PWM method to drive the three-phase brushless motor to control the quadrocopter’s flight attitude. The temperature/humidity, PM2.5/PM10 concentration, camera image and other information were transmitted to the console through the 2.4 GHz and 5.8 GHz frequency bands. The experiment showed that the system can meet the requirements of data collection and video monitoring in different environment. It has application value to the actual field monitoring.

quadrocopter; environmental information collection; K60 micro controller

TP27

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.028

伏勛, 任曉明，賈永興，等. 基于K60的四軸飛行器環境信息采集系統設計[J].微型機與應用，2016,35(23)：96-99.

2016-08-13)