基于STM32的無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)①

關(guān)學(xué)忠 趙麗麗 崔 凡 卞 強(qiáng) 孫占文

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于STM32的無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)①

關(guān)學(xué)忠 趙麗麗 崔 凡 卞 強(qiáng) 孫占文

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

在VS平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32控制器的無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)，給出系統(tǒng)軟硬件部分的選型和設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)際聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

地面監(jiān)控系統(tǒng) 四旋翼無(wú)人機(jī) STM32 Mission Planner界面

隨著航空和微機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展，微小型無(wú)人機(jī)已成為無(wú)人機(jī)范疇的重點(diǎn)研究課題。微小型無(wú)人機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、布局簡(jiǎn)單、攜帶便利及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、民用等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。筆者以四旋翼無(wú)人機(jī)(小型飛行器)為研究對(duì)象，應(yīng)用無(wú)線鏈路裝備，在VS軟件上設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集顯示、控制指令發(fā)送、飛行軌跡繪制、目標(biāo)定位及無(wú)人機(jī)3D視景等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)硬件由PC機(jī)、飛行器、遙感器、無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備及航拍攝像頭等組成；軟件由PC機(jī)上的地面監(jiān)控系統(tǒng)和FlightGear視景顯示部分組成[2]。

圖1 無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)(圖2)由4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳構(gòu)成，固聯(lián)在十字叉構(gòu)造上，以4個(gè)旋翼為動(dòng)力，可以垂直下降，不載工作人員。

圖2 四旋翼無(wú)人機(jī)構(gòu)造模擬圖

四旋翼無(wú)人機(jī)控制板的硬件布局如圖3所示。控制器采用具有ARM Cortex-M3處理器的STM32單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、定時(shí)器模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于收集傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的傳感器接口采集數(shù)據(jù)；通信模塊用于控制器之間的通信和無(wú)人機(jī)與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信；定時(shí)器模塊用于捕獲PPM信號(hào)、生成PWM信號(hào)和定時(shí)，生成的PWM信號(hào)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(無(wú)極電刷)，調(diào)節(jié)PWM波來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。

圖3 四旋翼無(wú)人機(jī)控制板的硬件布局

四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)有兩片STM32控制器(上下分布)，分別進(jìn)行不同的指令任務(wù)。上層控制器用于與地面監(jiān)控系統(tǒng)的通信、采集遙控器的PPM信號(hào)并解碼、獲取傳感器數(shù)據(jù)、與下層控制器的SPI通信；下層控制器用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、獲取傳感器數(shù)據(jù)、與上層控制器的SPI通信。

2.2 無(wú)線通信設(shè)備

無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)與四旋翼無(wú)人機(jī)之間采取無(wú)線串口通信方式，無(wú)線通信設(shè)備選擇遵循ZigBee協(xié)議的XBee-Pro模塊。該模塊符合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)低資源、低功耗的要求，便于應(yīng)用。

2.3 遙控設(shè)備

遙控設(shè)備選擇天地飛遙控器，配有FRP06-P接收機(jī)，具有失控保障、抗干擾性強(qiáng)及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。該遙控設(shè)備能夠容易地尋找到PPM信號(hào)線，然后通過(guò)主控制器的一個(gè)定時(shí)器，就可以對(duì)PPM信號(hào)進(jìn)行解碼，從而完成對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的控制。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 地面站界面

地面站界面采用VS平臺(tái)編譯源代碼，打開(kāi)Mission Planner界面(圖4)，首先調(diào)試PID參數(shù)和路徑規(guī)劃，然后對(duì)GPS模塊和無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行編譯，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的定位和飛行姿態(tài)的掌握。

Mission Planner界面的功能主要包括以下3個(gè)部分：

a. 飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示。機(jī)載控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲取飛行姿態(tài)后，數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給地面監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控系統(tǒng)由儀表和文本框顯示接收到的數(shù)據(jù)信息。

圖4 Mission Planner界面

b. 控制命令的發(fā)送。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路把設(shè)置的控制指令發(fā)送給無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)收到指令后，通過(guò)MPU處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的操縱。

c. 航跡繪制和目標(biāo)定位。電子地圖實(shí)時(shí)顯示無(wú)人機(jī)的航跡，并確定相應(yīng)的目標(biāo)定位和航點(diǎn)的設(shè)置與修正。

3.2 FlightGear視景顯示

無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)的FlightGear視景顯示能夠根據(jù)實(shí)際的無(wú)人機(jī)姿態(tài)，仿真3D視景飛行。工作人員在遙控過(guò)程中不需要一直注視無(wú)人機(jī)，只需根據(jù)3D視景效果，就可以準(zhǔn)確快速地確定無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，從而給出遙控指令。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于STM32控制器，以四旋翼無(wú)人機(jī)為被控對(duì)象，在VS平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的Mission Planner界面，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)飛行軌跡的實(shí)時(shí)記錄；通過(guò)PID參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的控制；繪制飛行軌跡，進(jìn)行路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的自主飛行。試驗(yàn)結(jié)果證明，該無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，達(dá)到了地面監(jiān)控要求和預(yù)期目標(biāo)。

[1] 于歌,劉剛,房建成.小型無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子,2007,(7):24～26.

[2] 沈才云.四旋翼無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京:東南大學(xué),2013.

GroundMonitoringSystemforQuadrotorUnmannedAerialVehiclesBasedonSTM32Controller

GUAN Xue-zhong, ZHAO Li-li, CUI Fan, BIAN Qiang, SUN Zhan-wen

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

On VS platform, a STM controller-based ground monitoring system for UAV (quadrotor unmanned aerial vehicle) was designed, including the system’s hardware design and its selection. Through joint debugging, the system runs well and achieves the goal as expected.

ground monitoring system, quadrotor UAV, STM32, Mission Planner interface

關(guān)學(xué)忠(1962-)，教授，從事神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和故障診斷技術(shù)研究，gxzdqpi@163.com。

TH862

A

1000-3932(2017)03-0277-03

2016-09-02)