煤礦勘測型四旋翼外環控制系統硬件設計與實現

李業鈞　孫龍杰　陳旸　孫弋

摘 要：在原有四旋翼飛行器結構上添加外環控制系統。該系統具有自主飛行控制功能以及煤礦環境勘測功能，以實現對煤礦環境進行勘測。控制中心通過傳感器MPU9250獲取自身飛行姿態值，6組超聲波傳感器獲取煤礦空間障礙物距離以及CH4，CO傳感器勘察煤礦空氣情況。飛行器數據通過WiFi模塊無線傳送至上位機。由于傳感器模塊較多，為了提高整個系統的工作效率以及減少超聲波模塊之間的干擾，需要對傳感器采集進行特殊設計。

關鍵詞：四旋翼飛行器；煤礦勘測

煤礦災害發生后，救援的首要任務是確保煤礦環境適合人員進入，以防止二次災難發生。煤礦環境的測量任務，可以利用四旋翼無人機進行探測。無人機進入礦井后，測量煤礦環境氣體，把參數通過無線方式輸送至一線救援人員設備當中。雖然市面上四旋翼飛行器平衡穩定性能好，然而并不是自主飛行方式且沒有煤礦環境勘察功能。因此，需要設計一款既有自主飛行功能，又有煤礦環境勘測功能的飛行器，以滿足煤礦環境勘測任務。

針對上述問題，經過分析，該飛行器需要由三大系統組成，一個是飛行器平衡內環系統，一個是飛行器自主飛行外環控制系統以及煤礦環境勘測采集系統。目前利用市面上四旋翼平衡系統就作為本飛行器的內環平衡系統，而在此基礎上再設計一套自主飛行避障外環控制系統并加載煤礦環境勘察功能。

本文主要講述自主飛行外環系統硬件設計與實現。

1 系統總體原理介紹

1.1 煤礦勘測型四旋翼架構

圖1表示該煤礦環境勘測型四旋翼硬件總體架構。煤礦環境采集系統主要有煤礦氣體（如CH4，CO等）傳感器，通過模擬信號傳輸至外環控制系統。外環控制系統通過超聲波等傳感器判斷當前飛行器所處煤礦空間結構，再由4路PWM控制信號輸送至飛行器平衡內環系統實現自主飛行。平衡內環系統根據當前控制量自動調整飛行姿態。

1.2 外環控制系統工作原理

外環控制系統以STM3F407VE作為主控芯片，以姿態傳感器MPU9250實現對飛行器自身姿態測量，6組超聲波傳感器模塊作為四旋翼在煤礦環境下避障，尋跡功能的采集模塊。當飛行器根據算法判斷出當前障礙物情況以及煤礦空間結構的情況后，再通過4組PWM控制方式給飛行器平衡內環系統提供控制量。從而實現飛行器在煤礦環境內的自主飛行功能。所采集的數據通過無線模塊傳輸至上位機，以供勘測員提供數據顯示。

2 外環控制系統硬件設計

2.1 外環控制系統結構設計

圖2表示外環控制系統傳感器分布圖。其中，兩端各放置2對超聲波模塊，用于測量飛行器左右到煤礦兩端距離值。前置端與底部各放置一組超聲波模塊，分別測量飛行器前端障礙物距離以及飛行器的飛行高度。在控制系統的中部放置九軸姿態傳感器模塊。在該系統中，還包括WiFi無線傳輸模塊以及礦井環境勘測傳感器模塊。

2.2 超聲波傳感器模塊

超聲波模塊主要用于對障礙物檢測功能。而左右兩側的超聲波模塊，還具有飛行器尋跡功能。通過同一側兩組超聲波模塊所測量的距離之差，可以檢測出飛行器與該側模塊之間的偏航情況，從而該飛行器可以根據煤礦邊緣的方向進行尋跡飛行。

2.3 姿態傳感器模塊

雖然左右兩側超聲波傳感器可以很好解決飛行器飛行方向（偏航角）問題，但由于超聲波模塊采集時間較長，時效性較差。因此，還需要利用姿態傳感器MPU9250進行配合，其高采集率可以提高系統的姿態測量速率。

2.4 礦井空氣勘測傳感器

根據煤礦環境的安全要求，需要對CH4，CO進行監測，故添加CH4傳感器模塊（MQ-2）以及CO傳感器模塊（型號為MQ-9）。根據使用說明書，該傳感器主要以模擬信號輸出方式。

2.5 外環控制系統的其他模塊

上述是外環控制系統的監測數據模塊，主要是對煤礦環境的勘測以及飛行姿態的檢測。除此外，外環控制系統還包括最小控制系統模塊（基于STM32F407VE的最小系統），對飛行器供電電源的監測模塊以及電源模塊。供電電源采用的是11.1V，2200mAh航模電池。因此，電源模塊以及電源監測模塊都需要降壓至5V與3.3V。

2.6 無線通信模塊

通過WiFi模塊（HLK-RM04），實現數據交互。該模塊屬于串行通信接口，符合網絡標準，內置TCP/IP協議棧[ 3 ]。串口通信最高波特率為230.4Kbps可滿足系統的通信需求（13Kbps）。

3 外環控制系統數據采集設計

3.1 傳感器組采集方案

對于超聲波傳感器，若采取同一時刻啟動，對于左右兩側超聲波傳感器容易引起同類干擾現象。但若按照逐個模塊啟動方式，則采樣周期過長。因此，根據超聲波傳感器的分布結構，采取左右各自兩端逐次采集，與前置和下置模塊同時刻進行采集的工作方式。經過試驗證明，整個系統的采集時間大大減縮，由原始的最長采集時間約為360ms縮減至最長采集時間為120ms。

MPU9250模塊采集頻率高較高，數據量較大。其中，采集的數據包括加速度值，磁場值以及角速度與自身解算的姿態角（偏航角，俯仰角與滾軸角）。經過驗證，采集頻率在100Hz時所得到的參數，特別是對角速度的積分疊加，所解算出飛行器的姿態角值，與模塊自身的解算得到很好的擬合。

所涉及的氣體傳感器以及電源監測模塊，以模擬量輸出，需AD轉換。STM32F407VE可以提供12位分辨率的ADC模數轉換。鑒于煤礦環境下氣體變化較為緩慢，而電源是使用鋰電池直流電源，故采樣周期為超聲波采樣周期。

3.2 無線通信模塊發送處理

無線通信模塊（HLK-RM04）采用TCP協議，經過試驗驗證，該模塊每以TCP協議發送數據，最短時間需要300ms。無線通信模塊數據發送時間采取1s發送一次數據包（約13Kbp）。而每一組發送數據包總共包含8組超聲波采集數據，100組九軸姿態傳感器數據以及8組模擬輸出型傳感器（包含煤礦氣體勘測傳感器，電源監測數據）。

4 硬件實現與結束語

圖3是該煤礦勘測型四旋翼外環控制系統硬件效果圖，煤礦勘測型四旋翼效果圖以及飛行實驗圖。

本文主要講述煤礦勘測型四旋翼外環控制系統硬件設計與實現。該系統最大特點是傳感器數目較多，采樣數據較大，而且每種傳感器都有各自的采集時間。

如何把握好每種傳感器模塊的性能，特點以及在采集數據良好的情況下提高整個系統的效率，是外環控制系統硬件設計要求。其中分析了各個傳感器的性能，采集的方式以及分布情況。為后續信號處理以及飛行器控制提供了良好的硬件平臺。

參考文獻：

[1] Hamel T，Mahony R，Lozano R，et al.Dynamic modeling and configuration stabilization for an X4-Flyer[C].15th Triennial World Congress，Barcelona，Spain，2002：665-670.

[2] 肖支才，姜鵬，戴洪德，康宇航.室內四旋翼無人飛行器定位導航的研究現狀與關鍵技術[J].飛航導彈，2014.

[3] 顏平，王麗丹，李夢柯.基于STM32的四旋翼飛行器設計與實現[A].電子設計工程，2016，24（2）.

作者簡介：

李業鈞（1991-），男，漢族，廣東廣州人，工程碩士，西安科技大學微電子學與固體電子學專業，研究方向：ASIC及系統集成電路（SOC）設計。