nin無人機保護傘電路控制系統

四川信息職業技術學院　黃　超　殷萬君　徐　斌　楊　波

?

nin無人機保護傘電路控制系統

四川信息職業技術學院黃超殷萬君徐斌楊波

本文所述的是一種無人機保護傘的控制系統，該系統具備無人機墜機狀態下自動彈出保護傘和地面強制打開保護傘兩個功能，同時在打開保護傘前關閉正處于高速運轉電機。該系統主要以stc15w4k56s4為主控芯片，adxl345為姿態算法傳感器，再通過相關外圍電路，驅動舵機來觸發保護傘的彈射開關，程序算法部分簡單明了，經測試穩定性能較好，外圍電路還有led提示功能，預留多個接口用于擴展。

無人機；保護系統；保護傘

1.背景

微小型多旋翼無人機具有機械結構簡單、成本低、重量輕、可低空速飛行、可垂直起降、無人員傷亡危險等優點，可以廣泛應用于氣象勘測、航空攝影、災后救援、收集信息、精細農業等領域［1-4］。隨著無人機應用的不斷深入，不同領域與無人機技術不斷融合，不同的一些設備，如航拍、攝影、科研、氣象等相關設備，將會成為無人機搭載的載體。［5-6］為此，設備的安全成為無人機應用領域的一個重要的亟待解決的問題，目前現有市場上常見的保護系統主要為彈射式保護傘，本文主要基于彈射式的保護傘，研發了一種基于stc15w4k56s4為主控芯片，adxl345為姿態算法傳感器的保護傘觸發電路控制系統，該系統通過傳感器獲得機身姿態算法，通過算法判斷飛機是否處于墜機狀態，再通過舵機觸發彈射保護傘系統。本文提出的簡單傾斜姿態算法，經測試穩定效果較好。

2.項目內容

項目主程序部分主要包含遙控器信號檢測和旋翼機姿態檢測兩部分，當遙控器強制打開或者判斷旋翼機處于墜機狀態時，本系統便通過發送舵機控制指令觸發保護傘彈射裝置。本系統主函數部分主要代碼如下：

Void main（）

｛

While（1）

｛

gesture（ ）；//姿態檢測

telecontroller（ ） ；//遙控器強制觸發檢測

｝

｝

姿態檢測使用的是adxl345重力加速度傳感器，該傳感器模塊與單片機采用SPI通信，本項目通過無人機姿態來判斷是否處于墜機或失控狀態，繼而產生一個舵機控制信號，使舵機產生一個機械動作觸發保護傘彈射裝置。本項目中要求是當旋翼無人機翼面傾角大于45°時表示處于墜機狀態，因此需要判斷的是旋翼無人機翼面的水平傾角，adxl345傳感器 Z軸的偏離中心位置的參數剛好可作為旋翼無人機靜態偏離中心軸角度相關的參數。但是adxl345主要用于采集靜態狀態下的傾斜參數，而無人機是一個運動的物體，且抖動頻率較大，還有運動方向及速度大小都不定，基于這樣一種復雜的運動狀態下，所采集的參數必須做相關算法處理才能準確得出無人機姿態傾角情況。由于數據是360°三維的采集，adxl345的Z軸數據主要變化范圍-1000-1000，綜合采用的MCU為8位單片機，且判斷機身的姿態不需要那么精確數據，所以在計算時將采集的數據均縮小10倍再取整，即變化范圍為-100-100，為了進一步便于數據處理，數據每次疊加一個常數N=120，所以采集的數據360°內變換范圍對應輸出數據為范圍為20-220，為了方便實測旋翼無人機飛行中的反饋參數，本系統將采NRF24L01作為無線通信模塊，將采集的參數及時反饋到電腦端進行處理，電腦端采用自行設計的圖表軟件，直觀快捷判斷飛機姿態。設每次讀取的adxl345參數為x（t），t為對應采集周期下采集的序號，如：假設設置數據采集周期2ms，x（6）表示采集的第六個數據，圖1為采集周期2ms時候的x（t）- t的圖像。

圖1　采集周期T=2ms，x（t）值

從圖可以看出，一般狀態下，無人機飛行過程中，由于飛機自身因素及外界干擾，或者傳感器自身噪聲，傳感器的采集參數具有一定波動性，有時候出現奇點，有一定離散型，為此，我們提出一種簡易的濾波方案。將連續采集的n組數據中，最大值與最小值均去掉，取剩余值的平均作為本次采集的反饋值，即：

取同樣采樣周期，n=12測得反饋數據如圖2所示：

圖2　采集周期T=24ms，值

通過反饋結果來看，數據由于系統干擾或者噪聲引起的奇點問題已經解決，數據濾波整形后呈現相對穩定的圖像。不過該結果還不能直接用于作為判斷飛機墜機狀態下的直接參數，假設是由于無人機急速運動或者大風干擾，短時間影響了飛機姿態。為了過濾點該種情況，本文采用延時判斷法進行進一步判斷，假設延時為m毫秒，45°邊界觸發點對應傳感器觸發參數為K，gesture（ ）核心算法如下：

通過以上多重延時判斷，增加系統穩定性，當判斷每次均處于墜機狀態，表明無人機處于墜機狀態，打開舵機觸發信號，觸發保護傘彈射裝置。

對于遙控器強制打開保護傘功能函數telecontroller（ ）的設計，根據舵機的控制信號規律，其控制周期為20ms，占空比高電平為1ms-2ms為有效控制指令，對應舵機0-180°旋轉［7-8］，旋翼機接收機每個通道一般發出的默認信號就是周期20ms占空比高電平為1ms的指令，所以telecontroller（ ）主要用以檢測高電平是否在1ms-2ms之間，且指令周期為20ms，本系統設置，當連續出現三個連續的撥動開關脈沖時表示強制開啟觸發裝置。

3.結論

本文提出的設計方案，可以較可靠的激發無人機保護傘彈射系統，及時保護旋翼失控無人機。該系統結構簡單，體積小，成本低，也適合搭載及應用。

［1］陳迎春，宋文濱，劉洪民.用飛機總體設計（第一版）［M］.上海:上海交通大學出版社，2010:237-45.

［2］許維進，劉志敏.重心位置對飛機阻力及其飛行性能的影響［J］.飛行力學，1999，17（1）:54-58.

［3］Zhang Chongjun，Lai Yinan，Zhang Guangyu.Zerogravitysimulation technique of five freedom docking tested［A］.Proceedings of the Aerospace Conference［C］.2004，IEEE.V6.2004.4048-404.

［4］張永宏，焦凱，王偉.旋翼無人機的偏航控制系統設計［J］.制造業自動化.2015.37（8）:143-145

［5］鮮斌，劉洋，張旭等.基于視覺的小型四旋翼無人機自主飛行控制［J］.機械工程學報.2015，51（9）:58-60.

［6］唐強，朱志強，王建元.國外無人機自主飛行控制研究［J］.系統工程與電子技術.2004.26（3）:418-4200.

［7］付麗，劉衛國，伊強.單片機控制的多路舵機用PWM波產生方法［J］.微特控制，2006.2:32-34.

［8］郭洪紅，劉長青，席巍.一種基于STC單片機的舵機測試器的設計［J］.儀器儀表裝置，2012（5）:17-19.

四川省教育廳重點項目（15ZA0379），信息學院支撐項目（川信職院科［2015］5號）。

黃超（1987—），男，四川樂山人，碩士，助教，主要從事物聯網及無人機方面的研究。