基于ATmega328p與Android的航拍偵察六軸對轉飛行器的設計

吉林大學珠海學院　劉夢亭　吳　凡　陳志欽

基于ATmega328p與Android的航拍偵察六軸對轉飛行器的設計

吉林大學珠海學院劉夢亭吳凡陳志欽

本設計以ATmega328p控制芯片為核心控制器實現了六軸對轉飛行器的設計，并通過藍牙和無線串口通信的方式實現了在Android系統下的遠程控制。通過電腦及手機地面站在谷歌地圖上標注預計航點，將信息保存并上傳至飛行器身上帶有的GPS模塊使其自主飛行。

ATmega328p；android；六軸對轉飛行器

引言

由于天氣因素的影響，衛星或載人飛機難以及時獲取對災難救助指揮的實時地面影像。采用無人機可超低空云下作業，對天氣依賴小，不需要專用機場，獲取地面影像速度快。

六軸式無人偵察飛行器是一種機上無人駕駛，可重復使用的航空偵察，監控飛行器。飛行器內部控制系統自主控制（自動程序控制或依靠傳感器的人工智能式自動控制）執行任務，或由飛行器外的控制站（手機Android地面站及電腦地面站）發出遙控指令操縱執行任務。

愛特梅爾公司的ATmega328p單片機具有高性能、高性價比、外設豐富和低功耗等優點，本設計應用ATmega328p內核的單片機作為飛行器的行為控制器，對攝像設備進行底層驅動，圖像處理及視頻處理，通過2.4G的Wi-Fi無線傳輸圖像信息到地面站的電腦上實時顯示，實現航空視頻拍攝及照片拍攝，并及時將信息傳回地面站。也可由地面站從電腦通過ZIGBEE數字傳送電臺發送到飛行器的接收端。由飛控設備通過GPS定位進行飛行路線的預先設定，飛行器按照指定路線飛行，實現自主導航，自主盤旋，并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置，實現無人控制的遠程無線遙感控制飛行器自主飛行。

超聲波定高可實現高度保持模式，即飛控設備參與控制飛機高度，結合云臺增穩抗震系統保持攝像機的平穩，適合航拍。

1.硬件設計

六軸無人飛行器是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器。簡稱無人機（Unmanned Aerial Vehicle縮寫UAV）。由于飛行器的研發在民用和軍事領域中具有廣闊的應用前景，眾多的航模愛好者、科學家致力于微型飛行器的研究。目前在市場上出現較多的是三軸、四軸的飛行器，六軸對轉飛行器相對非常少。

圖1　硬件控制原理圖

本課題研究以六軸微型飛行器的機型特點，采用螺旋槳上下對轉形式，減小氣流對旋翼的影響，增強了飛行器的穩定性，結合ATMEGA328P單片機的優越性能，以ATMEGA328P為控制單元核心，加上相應的電源電路、串/并口通訊電路、傳感器檢測電路及PWM信號隔離電路等，進行了六軸飛行器系統的硬件設計（見圖1）。

本設計采用Y6布局，共有三個輸出軸，每個輸出軸有兩個旋轉方向相反的動力系統，這代表了一旦在空中某一個電動機（螺旋槳）發生故障，由于同一輸出軸上還有一個具有較大剩余功率的動力系統，飛機的控制系統會自動加大剩余功率的使用，使飛行器從容返回并安全降落。

圖2　六軸對轉螺旋飛行器

圖3　六軸對轉無人飛行器機身硬件設計

動力系統：多軸飛行器通常由多個電動機直接帶動螺旋漿旋轉產生升力 。以無刷無感馬達為動力核心，無刷電子調速器，用于產生三相交流電，以PWM信號的脈沖寬度來控制輸出的電壓及電流，進而控制電動機轉速。

2.軟件設計

由地面站（ground station）從電腦通過ZIGBEE數據傳輸電臺發射到飛行器上的接收端，由飛控設備配合GPS實現自主導航，自主盤旋，并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置。或由手機android系統地面站通過藍牙與飛行器上的藍牙模塊對接實現數據的傳送，通過地面站在谷歌地圖上標注預計航點，這樣通過手機GPS也可實現自主導航。

軟件采用手機Android地面站及電腦地面站顯示終端，實現飛行試飛調試及控制。

軟件調試：啟動無線傳輸模塊，在遙控模式下試飛六軸飛行器，觀察其震動劇烈程度，打開mission planner軟件反復調試P、I、D值，直到飛行狀況十分穩定。

圖4　手機地面站

圖5　藍牙模塊實現短距離實時操控

采用zigbee1605A無線數字傳輸模塊實現數字通訊，電腦作為視頻監控站，可以多航點自動飛行；能顯示實時的飛機姿態與高度，航向等功能；能顯示飛機在谷歌地圖上的位置與航向，及高度。相當于一個無人機的雷達，可以跟蹤自己的飛機所在，在電腦地面站上進行監測。

圖6　電腦地面站

GPS定點與導航自主飛行系統的設計，通過手機地面站在谷歌地圖上標注預計航點，將信息保存并上傳至飛行器身上帶有的GPS模塊，使其自主飛行。根據實時GPS坐標判斷飛行器是否發生漂移或者偏離預定飛行軌道。并且在失去信號時自動回到GPS記錄的初始位置。

圖7　GPS定點與導航自主飛行系統的設計

3.結束語

六軸對轉飛行控制系統的機上部分包括：六軸姿態穩定與控制系統，自主飛行控制和指揮系統，飛行軌跡和導航控制系統，起飛與精確著陸飛行控制系統，及飛行安全控制系統。飛行控制系統的地面部分包括：飛行操縱和指令系統，飛行監控及顯示系統，飛行定位系統，飛行自動指令系統，手機地面站系統。

該設計實現了航拍及無線視頻及圖像傳輸功能，研究成果可應用于電力巡線，災害評估，農林噴藥等民用領域。

［1］劉峰等.四軸飛行器姿態控制系統設計［J］.計算機測量與控制，2011，19（3）.

［2］孫驊.基于GPS與AHRS的四軸飛行器懸停算法研究［J］.機械科學與技術，2013，Vol.32，No.4.

［3］X-600D四軸飛行器使用說說［S］.香港：香港科比特科技有限公司.

［4］張明連.飛行控制系統［M］.北京：航空工業出版社，1994.

劉夢亭（1981-），女，江西景德鎮人，工學碩士，講師，主要研究方向：系統工程，嵌入式開發，信號處理。

吳凡（1995-），男，廣東汕頭人，在校大學生，主要研究方向：機械設計制造及其自動化，機電一體化，機械結構原理設計。

陳志欽（1994-），男，廣東茂名人，在校大學生，主要研究方向：微電子工程，嵌入式開發。

2015年廣東大學生科技創新培育專項資金（“攀登計劃”專項資金）立項項目：四軸無人機智能運輸系統；吉林大學珠海學院質量工程立項（ZLGC20130701），項目名稱：以多層次MCU為核心的系列課程實踐教學改革與創新；吉林大學珠海學院質量工程立項（ZLGC20150706）項目名稱：數字信號處理精品課建設。