基于STM32的多功能掃雷無人機設計

謝峰 劉濤 夏偉翔

摘 要： 基于STM32的無人機搭載掃雷系統，實現多功能掃雷作業。無人機憑借靈活，穩定的優勢，可穿梭在各種危險，復雜的環境，利用STM32進行最優控制，滿足無人機的各種飛行要求，并實現飛行最優化設計。掃雷系統采用LDC1000傳感器，探測地雷方位與位置，同時可夾持機械臂操作自身攜帶微型爆炸物，待飛入安全地點，引爆地雷，實現多功能掃雷。整機是一個可實時傳輸數據，最優化飛行，具備探測地雷及排雷的多功能掃雷無人機。

關鍵詞： STM32；無人機；掃雷；多功能

沈陽理工大學大學生創新創業訓練計劃項目 項目編號：201710144011

1 引言

在世界上的許多戰亂國家，到處都埋藏著未爆炸的各種彈藥和地雷。甚至在許多國家和地區還殘留有一次大戰和二次大戰中未爆炸的炸彈和地雷。因此，可以說掃雷機器人的需求量是很大的。掃雷作業環境不同，可將掃雷機器人分陸用和海用兩類。就陸用機器人來講，雖然陸地機器人可以減少人員傷亡，但是其自身重量是有可能踩到地雷，并導致車體炸毀。本款設計的無人機排雷裝置可大大減少自身觸碰地雷導致自毀概率，使排雷更加簡單快捷。

2 項目概述

本款多功能掃雷無人機主要功能包括：可手控飛行飛進雷區，進入雷區后開啟自動飛行，并打開金屬探測器，進行地雷探測，定位到地雷后，懸停地雷上方，打開超聲波探測器，測量距離地雷高度，降落標準高度，伸展機械臂，輕輕釋放炸藥于地雷上，釋放后折疊機械臂回原位置，利用GPS定位記下地雷位置，返回高空后對地雷位置進行拍照，拍照后進行快速返回模式，攝像頭全程開啟，實時返回圖像。

2.1基于STM32飛行器裝置

無人機是一個典型的非線性、多通道耦合、多輸入多輸出的復雜系統。滿足不同飛行任務的需要就對飛行控制系統提出了較高的要求，因此飛行控制系統性能的優劣決定了無人機能否滿足需要并且能否成功投入使用。

飛行控制系統是以飛行控制計算機為核心，集成伺服舵機、機載傳感器、配電以及地面測控等各單元，共同形成一個資源統一調度分配，各部分相互協同運作的數字控制系統。飛行控制系統以微機械傳感器，光流傳感器，氣壓計和GPS 模塊等為基礎，以 STM32F103微控制器為核心飛控計算機能夠滿足無人機飛行各狀態測量、控制算法解算等任務的需要，同時為了滿足小型化，將飛控計算機、數據采集系統、傳感器、電源模塊等設計在一塊主控電路板上，大大減小了飛控系統占用的空間。

無人機飛行控制系統的四個基本要求如下：（1）姿態航向保持控制：為了保證無人機在其飛行包線內可控，可通過在無人機俯仰、橫滾、航向三軸方向分別加入姿態閉環控制及角速率阻尼，以此改善其阻尼特性及穩定性。（2）高度控制：通過對其高度閉環控制，可使無人機具有保持高度控制的能力。（3）自主飛行控制：預先設定或實時給定的飛行任務航跡可根據導航系統提供的位置信息、速度信息等導航信息來完成飛行。（4）應急控制：在研制初期過程中，控制系統還不夠完善，可能會出現無人機失去控制的情況，因次需要切換進入手控模式或緊急停止進行應急控制。

2.2金屬檢測裝置

金屬檢測裝置采用了電磁感應原理。利用傳感器對地雷表面的金屬進行探測，并實時數傳，判斷地雷位置。

法拉第定律和愣次定律是電磁感應原理的核心。根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中產生感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。根據愣次定律，H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗掉一部分能量，導致傳感器線圈的等效阻抗發生變化，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬物體的電渦流效應。渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數表達。所以檢測傳感器線圈的等效阻抗不但可以間接地檢測金屬物體的遠近，還可以感知金屬物體的有無。

該探測器原理可用于對行李、郵件、包裹及人體等夾帶的各種傷害性金屬物品如槍械、武器部件、刀具、彈藥和金屬包裝的炸藥等的檢測，所以以此來檢測地雷具有可實施性。

2.3機械排雷裝置

根據機械臂系統的控制要求，整體采用單 CPU 的系統控制方案，即通過控制主控制器輸出的PWM波的占空比實現對舵機轉動的控制，進而實現各個關節的位置控制。首先利用超聲波傳感器測量飛行器與地面距離，然后根據此距離設計出合適的機械動作將爆炸物放在地雷上，最后收回機械臂。機械臂作為排雷裝置的一個重要組成部分，不僅起到支撐排雷爆炸物、手爪和其他關節的作用，而且還可以驅動手爪抓取排雷爆炸物，再根據事先預定的坐標將排雷爆炸物搬運到指定位置。整個排雷系統的總質量比較大，受力也比較復雜，其運動部件的質量直接影響到機械臂的剛度和強度。

所以，在進行手臂的設計時，一般應注意下述三點要求：（1）剛度要大。為避免機械臂在運動過程中發生較大的形變，需合理選擇手臂的截面形狀。（2）導向性要好。為了避免機械臂在運動過程中發生不必要的相對運動，臂桿最好設計成方形或是花鍵等形式。（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機械臂運動部分的質量。

3 項目關鍵技術

3.1飛控的基本原理及相關技術

無人機飛控系統采用各傳感器傳回的數據計算當前姿態、位置以及運動參數，然后經過導航和控制算法計算出控制量，再將控制信號發送給機載執行機構改變飛機當前的姿態、空速、位置，從而保證軌跡的穩定和準確。

無人機飛控系統是典型的基于傳感器數據反饋的閉環控制系統。通過各傳感器獲得三軸角速度，三軸加速度以及磁場強度計算姿態角數據；通過氣壓計，GPS和數字羅盤獲得位置和航向數據。當無人機的姿態，空速和位置信息偏離指令值時，飛行控制器根據PID控制算法輸出相應的控制量。執行機構根據這些控制量做出相應的偏轉動作，使無人機按照預先設定的航點信息準確飛行。根據無人機的特點，飛行控制器應設計為：內回路與外回路控制，即航跡外回路計算出的姿態控制量作為姿態內回路的指令輸入值，二者構成穩定回路。

3.2 金屬探測裝置相關技術

根據電磁感應的原理，應用世界首款電感到數字的轉換器LDC1000 實現對地雷表現金屬的檢測。當地雷位于由LDC1000 產生的電磁場中時，地雷表面金屬內部能感生渦電流，渦電流又會產生新磁場，進而影響原來的磁場，LDC1000 通過SPI 接口以數字量輸出與這一變化相關的物理量，MCU對這些數字量進行識別與處理，并由MCU控制電機帶動LDC1000 在指定區域自行運動來對地雷的檢測與定位，并以聲光信號給予提示。

4 總結

本款掃雷無人機在飛行方面具有較高的可靠性，較好的可維護性，以及一定的負載安裝空間，便于飛控、電池等設備的安裝，并且還有一定的續航能力，提高外場飛行試驗效率。在機械排雷控制方面，控制系統微型化、輕型化和模塊化，多功能掃雷無人機系統具有實時性，可靠性，維護方便。

參考文獻

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