基于自主飛行器的農(nóng)林植物樣本檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

杜雨杭++單超穎++肖昌明++孫杰

摘 要本次項(xiàng)目采用STC89C52單片機(jī)作為四旋翼的檢測(cè)核心，采用STM32單片機(jī)作為四旋翼飛行姿態(tài)控制核心；采用L3G4200D低功率三軸角速度傳感器；采用ADXL345三軸低功率加速度計(jì)；采用無(wú)刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)飛行功能；采用穩(wěn)壓電源提供電源；實(shí)現(xiàn)了四旋翼自主飛行模式，飛行器在飛行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多角度智能拍攝等控制功能為一體的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 四旋翼 航拍

1 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的日益發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)四旋翼飛行器技術(shù)的研究越來(lái)越成熟，本應(yīng)用是對(duì)于農(nóng)林植物樣本的檢測(cè)，四旋翼飛行器除了基本的飛行功能之外還增加了利用溫濕度傳感器測(cè)量農(nóng)林樣本的溫濕度，增加攝像功能，能夠檢測(cè)樣本的長(zhǎng)勢(shì)，病蟲草害分布等較為全面的信息，地面站可以通過(guò)四旋翼飛行器攜帶的無(wú)線發(fā)射端對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行航線規(guī)劃，z在要求的地點(diǎn)通過(guò)傳感器采集溫濕度與攝像數(shù)據(jù)，由無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)射，地面接收端通過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32模塊

為了能夠?qū)λ男盹w行器進(jìn)行良好的控制，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的飛行控制模塊，因此控制芯片必須滿足響應(yīng)及時(shí)、處理能力強(qiáng)、可靠性高等基本要求，即能夠快速地響應(yīng)處理控制信號(hào)與傳感器信號(hào)，并能快速實(shí)現(xiàn)控制器的算法。

本文采用了STM32F103系列中等容量增強(qiáng)型微控制器，STM32系列微控制器采用ARM32位的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是ARM公司專為低功耗領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，其優(yōu)點(diǎn)是低成本、高性能，從而采用低功耗元件從而延長(zhǎng)飛行時(shí)間，最高可達(dá)72MHz運(yùn)行頻率頻率，可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算如單周期懲罰和硬件除法，具有80個(gè)快速GPIO接口，可以映射到各個(gè)外部中斷向量，并且能夠接收5V的信號(hào)，還具有多個(gè)定時(shí)器、通信接口，其中包括2個(gè)IIC接口，2個(gè)SPI接口，3個(gè)USERT接口以及CAN接口和USB接口等，能夠滿足飛行控制模塊的基本需求。

2.2 STC89C52單片機(jī)

本模塊采用STC89C52單片機(jī)作為姿態(tài)信息處理器。單片機(jī)基本系統(tǒng)由最小系統(tǒng)與外圍信號(hào)I/O口組成，最小系統(tǒng)包括晶振、電源、復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作了。用單片機(jī)作為傳感器的控制核心，可以接收到各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，并能夠通過(guò)無(wú)線發(fā)射端將溫度傳感器、濕度傳感器和攝像頭的信號(hào)傳送給地面計(jì)算機(jī)。

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)的主控芯片是STM32芯片，處理飛行器的控制算法部分，另一片是STC89C52，主要功能是傳感器信號(hào)采集和姿態(tài)信息處理以及數(shù)據(jù)的傳輸。兩板之間以串口傳輸?shù)街骺匕迳希员阌谥骺匕迥軌蚓哂凶藨B(tài)反饋控制，形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

2.3 陀螺傳感器

本文采用的是L3G4200D低功率三軸角速度傳感器， L3G4200D有兩種數(shù)字的輸出接口IIC/SPI，該陀螺傳感器具有16比特率的數(shù)據(jù)輸出和性價(jià)比高、體積小等特點(diǎn)。

2.4 加速度計(jì)

ADXL345是一款三軸低功率加速度計(jì)，其體積小，功耗低，并能檢測(cè)多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比對(duì)應(yīng)軸上的加速度與設(shè)置是否存在差異來(lái)判別是否運(yùn)動(dòng)。并能夠檢測(cè)出來(lái)任意方向的單振和多振。還可以檢測(cè)是否在自由落體的掉落狀態(tài)。處理器通過(guò)中斷方式讀取數(shù)據(jù)，為了盡可能提高測(cè)量精度，在器件電源處應(yīng)多使用電容來(lái)進(jìn)行去耦處理。

2.5 溫度濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采單總線數(shù)據(jù)格式，節(jié)省I/O端口，其采樣周期為1s，其1個(gè)管腳與單片機(jī)接口連接，可以與單片機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)89C52單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)給傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將溫濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，最終發(fā)射到地面計(jì)算機(jī)站。

2.6 攝像模塊

本文選擇悅翔FPV攝像頭。圖像清晰細(xì)膩，色彩逼真，照度低，寬電壓，圍攻好，換動(dòng)態(tài)。工作電壓：DC12V（寬電壓，實(shí)測(cè)可以7.5-13V正常工作），工作電流：70mA，工作溫度：-20-60

2.7 電機(jī)選型

本文采用朗宇A(yù)2216無(wú)刷電機(jī)作為四旋翼飛行器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。主要考慮了電機(jī)的KV值、驅(qū)動(dòng)功率、和重量的綜合因素。KV值表示的是無(wú)刷電機(jī)空轉(zhuǎn)增加的轉(zhuǎn)速值與輸入電壓的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)四旋翼飛行器采用KV值為1000左右的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳時(shí)效率較高。

2.8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選型

本四旋翼飛行器采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要選用配套的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路較復(fù)雜并且是三相電機(jī)，需要選擇最大電壓大于11V，最大電流大于13A的驅(qū)動(dòng)器，由于該無(wú)刷電機(jī)最大功率大，需要選用散熱性好的驅(qū)動(dòng)器來(lái)降低發(fā)熱量。本文選用好盈天行者無(wú)刷電調(diào)，其品質(zhì)優(yōu)異并且價(jià)格低廉。

2.9 電源模塊

本設(shè)計(jì)中使用3種電源：11V、5V、3.3V。11V用來(lái)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電；5V給80C52單片機(jī)供電；3.3V給STM32F103系列的微控制器、L3G4200D三軸角速度傳感器模塊、ADXL345加速度計(jì)模塊、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器供電。采用78L05線性穩(wěn)壓芯片將11.1V的航模電壓降到5V，然后用TI公司推出的TPS7333將5V電源降壓得到3.3V。

2.10 無(wú)線通信模塊

本文采用的是nRF24L01無(wú)線傳輸模塊，其工作在2.4GHz-2.5GHz的通用ISM頻段。傳輸速率可達(dá)1-2Mbps，傳播距離為5-1000m，并具有功耗低、成本低、尺寸小的特點(diǎn)。在發(fā)射模式下發(fā)送-6dBm時(shí)電流消耗為9mA，接收模式時(shí)為12.3mA，功耗最低。具有CRC校驗(yàn)和內(nèi)置完整通信協(xié)議，還具有自動(dòng)應(yīng)答與自動(dòng)重發(fā)的功能，通過(guò)SPI接口完成通信，連接到單片機(jī)，完成傳輸過(guò)程。

3 軟件設(shè)計(jì)

如圖1、2所示。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)與STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用了多種類型傳感器，將各種軟硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：四旋翼能夠平穩(wěn)起動(dòng)，按照要求的軌跡進(jìn)行飛行，穩(wěn)定降落。四旋翼在飛行中能夠傳回溫度濕度信息，將攝像頭采集到的畫面通過(guò)通訊傳輸給顯示器。

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作者單位

沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系 遼寧省沈陽(yáng)市 110000