基于STM32的航拍偵查四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

常猛　汪洋　徐伯樂(lè)　孟康

摘 要：基于STM32的航拍偵查四旋翼飛行器設(shè)計(jì)，可以用于森林防火防盜巡邏、電力巡檢等方面，減少了人工投入，從而使企業(yè)利益最大化。同時(shí)也減少了維護(hù)人員身體受傷的可能性，因此以四軸飛行器為平臺(tái)的遠(yuǎn)程圖像勘測(cè)就變得非常受青睞。四軸飛行器作為無(wú)人機(jī)的一種，能夠垂直起落、空中懸停，適用于各種飛行速度與飛行剖面，具有靈活性高、安全性好、便于控制、體積小等眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能攜帶多種小型設(shè)備。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行研究，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、飛行原理，設(shè)計(jì)合適的飛行方案，從而完成航拍勘察。

關(guān)鍵詞：STM32; 傳感器; 四軸飛行器：圖像傳輸

四軸飛行器作為一個(gè)最優(yōu)秀的搭載平臺(tái)打破了地域和環(huán)境的限制，大大減少了人們?cè)陔娋W(wǎng)以及森林檢測(cè)等一系列方面的重大投入，極大地降低了企業(yè)和個(gè)人的生產(chǎn)和安全成本，也為邊遠(yuǎn)地區(qū)的安全與檢測(cè)提供可能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飛行器的基本原理是根據(jù)遙控器接收到的的信號(hào)進(jìn)行處理，然后作用到四個(gè)電機(jī)上，再通過(guò)PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)使其能夠平穩(wěn)飛行。

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由GY-86姿態(tài)傳感器，光流模塊、攝像頭、圖傳模塊、24C02存儲(chǔ)模塊、超聲波模塊、激光模塊、遙控模塊等8部分組成。

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，遙控器控制飛行器飛行，GY-86對(duì)飛行器進(jìn)行角速度，加速度進(jìn)行測(cè)量再通過(guò)姿態(tài)解算算出飛行器的三個(gè)角，最后通過(guò)PID算法來(lái)調(diào)節(jié)使飛行器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)飛行。

激光模塊進(jìn)行高度測(cè)量，調(diào)節(jié)電機(jī)輸出使其飛行在一定高度，光流模塊對(duì)飛行器進(jìn)行位置調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定在某一點(diǎn)，攝像頭對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝，圖傳把攝像頭拍到的圖像進(jìn)行回傳。

飛行器是一個(gè)集合多種傳感器的綜合性能的平臺(tái)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析結(jié)合相應(yīng)算法從而達(dá)到平穩(wěn)飛行的目的。

1.1主控單元

本項(xiàng)目以STM32F407ZGT6作為主控芯片，該芯片頻率高達(dá)168MHz，并且超頻可以達(dá)到200MHz，運(yùn)行速度碾壓同類產(chǎn)品，它搭載在UCOSII操作系統(tǒng)上，可同時(shí)掛載256個(gè)任務(wù)，提升了各模塊兼容性。

1.2姿態(tài)解算

飛行器控制器要能夠采集處理微型 MEMS 慣性器件和三維地磁傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)姿態(tài)融合算法計(jì)算出飛行器的姿態(tài)角，并根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，結(jié)合相應(yīng)的算法給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，控制飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)達(dá)到控制飛行器的目的。本項(xiàng)目通過(guò)若干個(gè)串級(jí)PID算法來(lái)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變升力，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。

1.3遙控單元

遙控器端單片機(jī)通過(guò)采集操作桿ADC值，經(jīng)過(guò)2.4G發(fā)射模塊發(fā)送到飛行控制板端。遙控器端可以通過(guò)按鍵來(lái)完成功能設(shè)置和參數(shù)調(diào)節(jié)等操作，蜂鳴器用作遙控電池低電壓報(bào)警。

1.4圖傳模塊

圖像傳輸選用5.8G圖像傳輸技術(shù)TS835模塊，傳輸距離可達(dá)2公里遠(yuǎn)，而且小巧靈活能夠很容易的搭載在飛行器上面，并且回傳畫面清晰，因此可以通過(guò)觀察遠(yuǎn)程回傳的圖像來(lái)控制飛行以及對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行勘察。

1.5光流模塊

ATK-PMW3901是ALIENTEK 推出的一款超輕多功能低功耗光流模塊（以下簡(jiǎn)稱光模塊），此模塊集成一個(gè)高精度低功耗光學(xué)追蹤傳感器 PMW3901 和一個(gè)高精度激光傳感器 VL53LXX（2m 版本使用VL53L0X， 4m 版本使用 VL53L1X，以下VL53LXX）， PMW3901光流傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量水平移動(dòng)，VL53LXX 激光傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量距離，抗干擾能力更強(qiáng)。

1.6電源模塊

電池采用鋰離子電池作為電源，并設(shè)計(jì)出可充電接口和電源變換電路，以此來(lái)完成充電與其他模塊的供電功能。

1.7執(zhí)行單元

通過(guò)各個(gè)傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)濾波，再通過(guò)姿態(tài)解算得到姿態(tài)角，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)把角偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，通過(guò)電調(diào)傳給電機(jī)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使飛行器平穩(wěn)飛行。

2 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過(guò)多種傳感器的結(jié)合到飛行器上使飛行器能夠完成復(fù)雜的飛行任務(wù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)定高、定點(diǎn)、圖像回傳等任務(wù)，是現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)物。能夠?qū)?fù)雜的周圍環(huán)境進(jìn)行勘察，從而減少了人力物力的投入，且能夠產(chǎn)生豐厚的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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