基于無人機的無線動態數據傳輸系統總體設計

鄭州航空工業管理學院航空工程學院 王正鶴 李仁鳳 焦振振

1 引言

近年無人機在人類社會生活中發揮的作用日趨顯著，廣泛應用于農林藥物噴灑、森林防火、地質測繪、航拍救援等。無人機功能和應用的擴展，對其無線動態數據傳輸系統提出了較高要求。本文基于無人機設計無線動態傳輸系統，并對其進行性能測試分析。

2 總體設計方案

對無線動態數據傳輸系統進行模塊化設計，以簡化系統硬件的設計過程，縮短無線傳輸系統的研發周期，降低綜合成本低，確保性能安全可靠。

無線動態數據傳輸系統主要由發射結構和接收結構組成。其中，發射結構中空中發射系統MPU與陀螺儀模塊、高度氣壓計模塊、溫濕度傳感模塊、電源模塊、無線通信模塊和其他相關模塊實現數據傳輸，如圖1所示。接收結構中，地面接收系統MPU與人機顯示模塊、預警模塊、電源模塊和無線通信模塊實現數據傳輸，如圖2所示。陀螺儀模塊采集飛行姿態的數據；高度氣壓模塊測量飛行高度和氣壓；溫濕度傳感模塊測量飛行環境的溫度與濕度；電源模塊為系統CPU提供所需的電能；無線通信模塊完成數據的無線傳輸及其他數據模塊滿足不同的系統要求。

圖1 發射結構

圖2 接收結構

無線動態數據傳輸系統通過電子元件模塊采集飛行數據，并實時傳送到地面站，加強人機通信。在一定的距離范圍內，對空中飛行的無人機進行控制監視，拓展無人機的服務范圍。表1為無線動態數據傳輸系統各模塊的具體選型。系統處理芯片選用32位的增強型微型控制器工作性能穩定、功耗低、運算處理速度為72MHz的STM-32F103CBT6單片機，其工作環境溫度為-45℃～105℃；陀螺儀模塊選用靈敏度高、集成了數字溫度傳感器和數字運動處理器且具有低功耗和高抗撞擊能力的MPU6050模塊；高度氣壓模塊選取體積小、精度高、功耗低、壓力測量范圍在30～110 kPa的BMP180壓力傳感器模塊；溫濕度傳感模塊選用功能齊備DHT11數字溫濕度傳感器和精度高、測量范圍寬廣的DS18B20數字溫度傳感器，采用單線接口連接電路實現兩款傳感器的切換；電源模塊采用AMS1117高效線性穩壓器；無線通信模塊功耗低、實用性較強、可以遠距離、安全可靠的傳輸數據的NRF24L01模塊；人機顯示模塊采用2.4寸的薄膜晶體管液晶顯示器TFT-LCD模塊；預警模塊采用LCD燈和有源蜂鳴器進行聲光的報警；系統下載電路高速下性能可靠的SWD下載模式。

表1 系統各模塊的選型

3 測試結果

對無線動態數據傳輸系統進行系統調試和性能測試，傳輸系統的有效傳輸距離達到1000米，各傳感器的測量誤差在系統的要求范圍內，數據測量及傳輸穩定可靠，系統性能能夠滿足要求。

4 結論

運用NRF24L01無線收發模塊，基于無人機搭建無線動態數據傳輸系統，實現對飛行姿態、飛行環境等參數進行采集、發送和監測，對實時控制無人機的姿態，并實現后期對無人機的故障診斷、氣動外形建模、穩定性分析和姿態控制分析等具有積極作用。

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