一種無人機安全性檢測系統的設計方案

韓浩東，薛俊杰，牛鵬鍇，謝文杰，李雪晴

（1.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京，211106；2.哈爾濱工業大學（深圳） 電子與信息工程學院，廣東深圳，211106；3.南京航空航天大學長空學院，江蘇南京，211106）

0 引言

無人機這一概念最早在20世紀出現，由于當時技術落后，無人機系統事故頻發，并未得到重視。隨著技術的發展，無人機相關的技術快速更新，逐漸在生活和軍事領域有了大規模應用。近年來，由于管控、審核制度不完善，各種各樣的無人機未經審批隨意在空中試飛，造成了許多事故，對地面人員的安全與財產造成了不良的影響。因此，本文在在充分研究國內外無人機系統安全性相關研究和工作的基礎上，構建一種無人機安全性檢測系統的設計方案。

1 系統的總體規劃

無人機安全性檢測系統主要包括無人機部分，數據鏈路部分以及地面站系統，經設計的無人機安全性檢測系統示意圖如圖1，相關說明如下。

圖1 無人機安全性檢測系統示意圖

無人機部分主要包含有無人機，飛控計算機，機載傳感采集終端與各種機載傳感器。無人機的主要功能是搭載傳感模塊與飛控計算機執行任務，飛控計算機的主要功能是對無人機的電機進行控制，從而改變無人機的航向以及飛行速度，機載傳感器采集終端與傳感器的功能主要是采集各傳感器信息。

數據鏈路部分采用數據傳輸模塊進行無人機與地面站之間的數據的上傳與命令的下達。

地面站系統主要包括操控控制臺，顯示臺，協議處理單元，數據傳輸模塊，天線與供電系統。操控系統用于控制無人機的飛行狀態；顯示臺用于顯示無人機的狀態信息；協議處理單元用于解讀與無人機之間的通信數據幀；數據傳輸模塊用于傳輸數據幀；供電系統用于給地面站中的各個部件進行供電。

2 硬件設計

硬件設計主要包括無人機選型，飛控計算機選型，傳感器選型，機載數據傳輸模塊設計與機載傳感器采集終端設計。

無人機主要分為固定翼以及多旋翼。固定翼類型的特點是工作時間長，抗風性能好，但其缺點是市面上上不常見，價格貴，同時操作不易。與之相反，多旋翼無人機的優點是操控造價相對低廉，市場中常見的也多為多旋翼無人機。考慮到設計需要，最終選用四旋翼無人機。

在本設計方案中，通過考慮決定無人機采用ZD680機架（ZD680 代表軸距680mm），采用此機架的原因是四旋翼無人機的軸距越大，無人機飛行越穩。電機方面，采用致盈動力x3508電機，同時采用 1555型號槳。通過查閱電機參數，按電機功率 60%進行計算，一個電機拉力為 0.92KG，總拉力為3.68KG，市場中的采用該機架的無人機自重約為 2KG，因此保守預計無人機載重可達1KG以上，能夠滿足設計需要。電池方面采用 8000MAH 6S 22.2V 的電池給無人機進行供電，同時配有分電板，能夠將電池所提供的電壓轉換為 5V 或12V。

市場上可選的飛控計算機較多，考慮到無人機操控的安全性，本設計中采用PIXHAWK飛控。PIXHAWK 飛控是在APM飛控上進行改進，延續了APM飛控中的優點，這款飛控計算機采用了雙處理器，強大運算的32位STM32F427芯片以及 32位STM32F103協處理器，滿足了更復雜的代碼算法運算處理。將設置好的飛控計算機代碼燒寫進飛控計算機中，同時配有所需的傳感器用于感知飛機的狀態信息，當飛控計算機解鎖后進行系統初始化，接著讀取各傳感器的信息，如姿態傳感器的姿態信息，定位模塊的位置信息，根據傳感器所采集的信息解算出無人機的飛行姿態。之后接收控制臺所傳輸的控制信息，解算出用戶期望的飛行姿態，與實時姿態進行對比，將獲得的差值放入PID調節器中，最后根據結果進行無人機電機的控制。

根據需求得知需要采用壓力傳感器模塊測量壓力高度，采用姿態傳感器測量飛機姿態信息，采用定位模塊測量無人機位置以及指示空速。①壓力傳感模塊采用 MS5611-01BA 模組。②姿態傳感模塊采用GY-25傾斜度模塊，該模塊內部集成了MPU6050芯片，將其測量的模擬量，如俯仰角等轉化為可輸出的數字量，通過 USART，向外部輸出姿態解算后的數據。③定位模塊采用 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，該模塊通過串口，利用 ASCII 碼的方式輸出模塊所采集到的各項信息。通過解讀所傳遞的 ASCII 碼，可獲得各個衛星提供多種信息。

機載傳感器采集終端主控芯片選用STM32F103RBT6芯片，該芯片有3路異步串行接收口，2個同I2C 接口，2個串行外設接口，同時還提供有CAN 接口， USB 接口等，功能強大。芯片的供電電壓為3.3V，設計供電原理如圖2所示。

圖2 供電設計圖

3 軟件設計

軟件設計主要包括機載傳感器采集終端程序設計與地面站顯示臺程序設計。機載傳感采集終端程序流程圖如圖3所示，流程圖說明如下。

圖3 機載傳感采集終端程序流程圖

程序首先進行接口初始化，接著獲取 GPS 模塊提供的信息，如高度信息，速度信息和位置信息。再獲取壓力傳感器模塊信息，如壓力信息與溫度信息。最后獲取姿態模塊信息，如偏航角，俯仰角和翻滾角。將所獲取的數據進行整理打包成一幀的字符串，通過串口1再上傳給地面站。之后，再次重新獲取傳感器信息，整理打包數據，繼續上傳，如此循環。

（1）接口初始化

接口初始化包括串口初始化， I2C 初始化，延時初始化以及 LED 初始化。串口初始化，I2C 初始化以及 LED 的初始化主要是設置單片機的 GPIO 輸入或輸出方式，使能 GPIO上的時鐘，為之后的工作進行準備。延時初始化主要是確定外部時鐘，準備好定時器。

（2）獲取姿態模塊信息

姿態模塊傳遞的信息包括偏航角，翻滾角與俯仰角，具體說明如下：首先控制板發送 AT 指令請求獲取數據，然后串口等待是否有數據返回，若沒有則繼續等待數據。采集到數據后對數據進行一個解析，取出所需的偏航角，翻滾角與俯仰角并保存這些數據。

（3）整理打包所獲取數據并上傳

將所保存的數據取出，放入字符串中，同時采用標點符號將不同類型的數據隔開。將即將發送的字符串通過串口1，逐個字節地發送出去。

地面站系統中的顯示臺是通過QT搭建于電腦中。由地面站功能需求分析可以知道，地面站系統顯示臺需要能夠獲取無人機一系列狀態信息。所需要的端口號可由地面人員自行進行設計，確認端口號后再將其設置到傳感控制模塊的ESP8266內即可。接收信息窗口中，用于記錄和展示搭載于無人機上的傳感控制模塊所發送的數據鏈。對這些數據鏈進行解析，就可以得到無人機的狀態信息信息，同時這些信息也有展示在顯示臺相應的框中。發送消息窗口僅在測試顯示臺與傳感模塊數據通信時使用，系統正常運作時發送窗口并不使用。而地面站系統中的控制臺為一個遠程遙控器。地面人員利用遙控器通過 WIFI 將指令傳輸給無人機。

4 實驗測試

試飛準備：將所研制的傳感系統裝在所購買的無人機上，利用束扣，膠帶等捆綁物件將飛控計算機，機載傳感采集終端等硬件固定在無人機上，避免無人機試飛時機載設備出現損毀的情況。

地面站功能驗證：到學校操場進行無人機試飛，驗證地面站系統的功能可行性。最終結果與預期一致，地面站系統能夠正常工作，接收無人機所下發的數據信息，同時地面站系統也能夠對無人機下達動作指令，進行無人機的操控，顯示臺測試結果如圖4所示。

圖3 車牌定位、分割和識別結果

圖4 實驗中顯示臺工作頁面

5 結論

本章根據無人機安全性檢測系統的功能性需求，對無人機安全性檢測系統進行方案設計，之后詳細設計了無人機安全性檢測系統中的硬件部分與軟件部分，最終成功研制了一種無人機安全性檢測系統。同時，進行無人機試飛，成功測得了無人機實時傳回的數據，并顯示在地面站顯示臺上，用于檢測無人機的安全性，并且能夠控制無人機飛行姿態，防止在測試過程中出現事故，成功驗證了所研制的無人機安全性檢測系統的功能符合預期要求。