四旋翼飛行器三維防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳謠 黎嘉明 葛旭文 陳根華

摘要：隨著無(wú)人飛行器技術(shù)的發(fā)展，四旋翼飛行器得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)外部飛行環(huán)境比較復(fù)雜或自主飛行時(shí)，容易造成飛行器的不平穩(wěn)，從而導(dǎo)致飛行器與外部環(huán)境發(fā)生碰撞，造成無(wú)人飛行器的損毀。因此，設(shè)計(jì)具有自動(dòng)防撞系統(tǒng)的無(wú)人飛行器具有重要工程意義。該系統(tǒng)以HC-SR04超聲波模塊作為測(cè)距傳感器，以MK60FX512VLQ15作為控制單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示及信號(hào)控制，選用CD4066多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的控制，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的防撞功能。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某商用無(wú)人機(jī)的防撞保護(hù)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；MK60FX512VLQ15單片機(jī)；三維防撞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP332.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

隨著科技的發(fā)展，四旋翼飛行器憑借其便捷性，得到了廣泛應(yīng)用。普通四旋翼飛行器在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)遇到因內(nèi)部條件及外部環(huán)境影響，造成飛行不平穩(wěn)，或者因操作失誤使飛行器發(fā)生碰撞的問(wèn)題。市場(chǎng)上絕大部分四旋翼飛行器，采用硬件保護(hù)措施，對(duì)易損部件進(jìn)行特殊保護(hù)，因此，不僅增加飛行器重量、降低續(xù)航時(shí)間，而且飛行器在遇到強(qiáng)碰撞時(shí)，仍然導(dǎo)致飛行器嚴(yán)重?fù)p壞。

本文提出了一種安全距離可調(diào)的四旋翼飛行器[1]三維防撞系統(tǒng)。當(dāng)飛行器某一方向上的距離小于安全距離時(shí)，迫使飛行器自動(dòng)懸停，遙控器只能使飛行器朝反方向運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)聲光報(bào)警告知操控者。本系統(tǒng)采用MK60FX512VLQ15為主控，HC-SR04超聲波模塊[2]為測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)三維距離測(cè)量、自動(dòng)懸停控制、超安全范圍自動(dòng)報(bào)警等功能。該系統(tǒng)具有實(shí)用、方便、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用5個(gè)HC-SR04超聲波模塊，對(duì)三維距離進(jìn)行測(cè)量，HC-SR04超聲波位置示意圖如圖1所示。

通過(guò)采集5個(gè)方向上超聲波的距離信息，實(shí)時(shí)得到飛行器的距離信息，從而判斷飛行器是否處于安全范圍。選用CD4066多路模擬開(kāi)關(guān)，對(duì)飛行器接收機(jī)各控制方向PWM信號(hào)和單片機(jī)模擬懸停的PWM信號(hào)進(jìn)行控制，控制單元以MK60FX512VLQ15單片機(jī)[3]作為控制器，對(duì)四旋翼飛行器接收機(jī)PWM信號(hào)頻率進(jìn)行分析與計(jì)算、控制CD4066模擬懸停信號(hào)與接收機(jī)信號(hào)開(kāi)關(guān)、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、按鍵消息處理等任務(wù)。數(shù)據(jù)顯示采用SPI總線接口與MzL05T-12864模組[3]實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖1 超聲波模塊位置示意圖 圖2 系統(tǒng)功能模塊框圖

1.2 HC-SR04超聲波模塊

距離測(cè)量傳感器采用高精度HC-SR04超聲波模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)2cm～400cm的距離測(cè)量，精度高達(dá)3mm，該模塊發(fā)出8個(gè)40kHz脈沖信號(hào)并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，從而測(cè)量出實(shí)際距離，具體計(jì)算公式為距離=回響信號(hào)高電平時(shí)間×聲速/2。

1.3 信號(hào)開(kāi)關(guān)器

本系統(tǒng)采用雙向模擬開(kāi)關(guān)CD4066，可傳輸?shù)哪M信號(hào)的上限頻率為40MHz，各開(kāi)關(guān)間的串?dāng)_小， 每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端口。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)截止。利用CD4066作為信號(hào)開(kāi)關(guān)器，對(duì)各方向模擬懸停信號(hào)以及接收機(jī)各方向發(fā)送信號(hào)進(jìn)行處理。

1.4液晶顯示

為實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互，本系統(tǒng)采用OLED12864實(shí)現(xiàn)液晶顯示[4]，使操控者在調(diào)試時(shí)更直觀地觀察和設(shè)置飛行器各方向的信號(hào)參數(shù)以及安全距離參數(shù)。

1.5鍵盤(pán)輸入模塊

本設(shè)計(jì)采用按鍵調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，用于系統(tǒng)安全距離設(shè)置以及用戶模式切換。

2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初次啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)入預(yù)設(shè)界面，顯示用戶模式以及安全距離，當(dāng)操控者成功預(yù)設(shè)操作模式及安全距離后，顯示器顯示飛行器各方向信號(hào)參數(shù)、模擬信號(hào)參數(shù)以及各方向超聲波所測(cè)距離，此時(shí)，飛行器處于待飛狀態(tài)。在待飛狀態(tài)下，操控者可通過(guò)按鍵使系統(tǒng)回到預(yù)設(shè)界面調(diào)節(jié)參數(shù)。

飛行器起飛后，各方向超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)距離[5]，判斷各方向是否小于安全距離。若各方向大于安全距離，飛行器正常接收信號(hào)；若某方向小于安全距離，系統(tǒng)自動(dòng)切換為懸停信號(hào)，使飛行器自動(dòng)懸停，同時(shí)聲光報(bào)警發(fā)出告警信號(hào)警示操控者。

3結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器三維防撞系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的硬件保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的軟件安全保護(hù)措施，適用于各主流飛控，滿足當(dāng)前飛行器的安全保障需求，避免了操控者視覺(jué)誤判或外部環(huán)境復(fù)雜而導(dǎo)致的飛行器碰撞事故，為四旋翼飛行器在復(fù)雜危險(xiǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了安全保障，給廣大飛行器愛(ài)好者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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