煤礦勘測型四旋翼外環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李業(yè)鈞　孫龍杰　陳旸　孫弋

摘 要：在原有四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)上添加外環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自主飛行控制功能以及煤礦環(huán)境勘測功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦環(huán)境進(jìn)行勘測。控制中心通過傳感器MPU9250獲取自身飛行姿態(tài)值，6組超聲波傳感器獲取煤礦空間障礙物距離以及CH4，CO傳感器勘察煤礦空氣情況。飛行器數(shù)據(jù)通過WiFi模塊無線傳送至上位機(jī)。由于傳感器模塊較多，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率以及減少超聲波模塊之間的干擾，需要對(duì)傳感器采集進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；煤礦勘測

煤礦災(zāi)害發(fā)生后，救援的首要任務(wù)是確保煤礦環(huán)境適合人員進(jìn)入，以防止二次災(zāi)難發(fā)生。煤礦環(huán)境的測量任務(wù)，可以利用四旋翼無人機(jī)進(jìn)行探測。無人機(jī)進(jìn)入礦井后，測量煤礦環(huán)境氣體，把參數(shù)通過無線方式輸送至一線救援人員設(shè)備當(dāng)中。雖然市面上四旋翼飛行器平衡穩(wěn)定性能好，然而并不是自主飛行方式且沒有煤礦環(huán)境勘察功能。因此，需要設(shè)計(jì)一款既有自主飛行功能，又有煤礦環(huán)境勘測功能的飛行器，以滿足煤礦環(huán)境勘測任務(wù)。

針對(duì)上述問題，經(jīng)過分析，該飛行器需要由三大系統(tǒng)組成，一個(gè)是飛行器平衡內(nèi)環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)是飛行器自主飛行外環(huán)控制系統(tǒng)以及煤礦環(huán)境勘測采集系統(tǒng)。目前利用市面上四旋翼平衡系統(tǒng)就作為本飛行器的內(nèi)環(huán)平衡系統(tǒng)，而在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一套自主飛行避障外環(huán)控制系統(tǒng)并加載煤礦環(huán)境勘察功能。

本文主要講述自主飛行外環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體原理介紹

1.1 煤礦勘測型四旋翼架構(gòu)

圖1表示該煤礦環(huán)境勘測型四旋翼硬件總體架構(gòu)。煤礦環(huán)境采集系統(tǒng)主要有煤礦氣體（如CH4，CO等）傳感器，通過模擬信號(hào)傳輸至外環(huán)控制系統(tǒng)。外環(huán)控制系統(tǒng)通過超聲波等傳感器判斷當(dāng)前飛行器所處煤礦空間結(jié)構(gòu)，再由4路PWM控制信號(hào)輸送至飛行器平衡內(nèi)環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主飛行。平衡內(nèi)環(huán)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前控制量自動(dòng)調(diào)整飛行姿態(tài)。

1.2 外環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

外環(huán)控制系統(tǒng)以STM3F407VE作為主控芯片，以姿態(tài)傳感器MPU9250實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器自身姿態(tài)測量，6組超聲波傳感器模塊作為四旋翼在煤礦環(huán)境下避障，尋跡功能的采集模塊。當(dāng)飛行器根據(jù)算法判斷出當(dāng)前障礙物情況以及煤礦空間結(jié)構(gòu)的情況后，再通過4組PWM控制方式給飛行器平衡內(nèi)環(huán)系統(tǒng)提供控制量。從而實(shí)現(xiàn)飛行器在煤礦環(huán)境內(nèi)的自主飛行功能。所采集的數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸至上位機(jī)，以供勘測員提供數(shù)據(jù)顯示。

2 外環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 外環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2表示外環(huán)控制系統(tǒng)傳感器分布圖。其中，兩端各放置2對(duì)超聲波模塊，用于測量飛行器左右到煤礦兩端距離值。前置端與底部各放置一組超聲波模塊，分別測量飛行器前端障礙物距離以及飛行器的飛行高度。在控制系統(tǒng)的中部放置九軸姿態(tài)傳感器模塊。在該系統(tǒng)中，還包括WiFi無線傳輸模塊以及礦井環(huán)境勘測傳感器模塊。

2.2 超聲波傳感器模塊

超聲波模塊主要用于對(duì)障礙物檢測功能。而左右兩側(cè)的超聲波模塊，還具有飛行器尋跡功能。通過同一側(cè)兩組超聲波模塊所測量的距離之差，可以檢測出飛行器與該側(cè)模塊之間的偏航情況，從而該飛行器可以根據(jù)煤礦邊緣的方向進(jìn)行尋跡飛行。

2.3 姿態(tài)傳感器模塊

雖然左右兩側(cè)超聲波傳感器可以很好解決飛行器飛行方向（偏航角）問題，但由于超聲波模塊采集時(shí)間較長，時(shí)效性較差。因此，還需要利用姿態(tài)傳感器MPU9250進(jìn)行配合，其高采集率可以提高系統(tǒng)的姿態(tài)測量速率。

2.4 礦井空氣勘測傳感器

根據(jù)煤礦環(huán)境的安全要求，需要對(duì)CH4，CO進(jìn)行監(jiān)測，故添加CH4傳感器模塊（MQ-2）以及CO傳感器模塊（型號(hào)為MQ-9）。根據(jù)使用說明書，該傳感器主要以模擬信號(hào)輸出方式。

2.5 外環(huán)控制系統(tǒng)的其他模塊

上述是外環(huán)控制系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)模塊，主要是對(duì)煤礦環(huán)境的勘測以及飛行姿態(tài)的檢測。除此外，外環(huán)控制系統(tǒng)還包括最小控制系統(tǒng)模塊（基于STM32F407VE的最小系統(tǒng)），對(duì)飛行器供電電源的監(jiān)測模塊以及電源模塊。供電電源采用的是11.1V，2200mAh航模電池。因此，電源模塊以及電源監(jiān)測模塊都需要降壓至5V與3.3V。

2.6 無線通信模塊

通過WiFi模塊（HLK-RM04），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該模塊屬于串行通信接口，符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧[ 3 ]。串口通信最高波特率為230.4Kbps可滿足系統(tǒng)的通信需求（13Kbps）。

3 外環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

3.1 傳感器組采集方案

對(duì)于超聲波傳感器，若采取同一時(shí)刻啟動(dòng)，對(duì)于左右兩側(cè)超聲波傳感器容易引起同類干擾現(xiàn)象。但若按照逐個(gè)模塊啟動(dòng)方式，則采樣周期過長。因此，根據(jù)超聲波傳感器的分布結(jié)構(gòu)，采取左右各自兩端逐次采集，與前置和下置模塊同時(shí)刻進(jìn)行采集的工作方式。經(jīng)過試驗(yàn)證明，整個(gè)系統(tǒng)的采集時(shí)間大大減縮，由原始的最長采集時(shí)間約為360ms縮減至最長采集時(shí)間為120ms。

MPU9250模塊采集頻率高較高，數(shù)據(jù)量較大。其中，采集的數(shù)據(jù)包括加速度值，磁場值以及角速度與自身解算的姿態(tài)角（偏航角，俯仰角與滾軸角）。經(jīng)過驗(yàn)證，采集頻率在100Hz時(shí)所得到的參數(shù)，特別是對(duì)角速度的積分疊加，所解算出飛行器的姿態(tài)角值，與模塊自身的解算得到很好的擬合。

所涉及的氣體傳感器以及電源監(jiān)測模塊，以模擬量輸出，需AD轉(zhuǎn)換。STM32F407VE可以提供12位分辨率的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。鑒于煤礦環(huán)境下氣體變化較為緩慢，而電源是使用鋰電池直流電源，故采樣周期為超聲波采樣周期。

3.2 無線通信模塊發(fā)送處理

無線通信模塊（HLK-RM04）采用TCP協(xié)議，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該模塊每以TCP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，最短時(shí)間需要300ms。無線通信模塊數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間采取1s發(fā)送一次數(shù)據(jù)包（約13Kbp）。而每一組發(fā)送數(shù)據(jù)包總共包含8組超聲波采集數(shù)據(jù)，100組九軸姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)以及8組模擬輸出型傳感器（包含煤礦氣體勘測傳感器，電源監(jiān)測數(shù)據(jù)）。

4 硬件實(shí)現(xiàn)與結(jié)束語

圖3是該煤礦勘測型四旋翼外環(huán)控制系統(tǒng)硬件效果圖，煤礦勘測型四旋翼效果圖以及飛行實(shí)驗(yàn)圖。

本文主要講述煤礦勘測型四旋翼外環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是傳感器數(shù)目較多，采樣數(shù)據(jù)較大，而且每種傳感器都有各自的采集時(shí)間。

如何把握好每種傳感器模塊的性能，特點(diǎn)以及在采集數(shù)據(jù)良好的情況下提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，是外環(huán)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求。其中分析了各個(gè)傳感器的性能，采集的方式以及分布情況。為后續(xù)信號(hào)處理以及飛行器控制提供了良好的硬件平臺(tái)。

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[3] 顏平，王麗丹，李夢柯.基于STM32的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（2）.

作者簡介：

李業(yè)鈞（1991-），男，漢族，廣東廣州人，工程碩士，西安科技大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，研究方向：ASIC及系統(tǒng)集成電路（SOC）設(shè)計(jì)。