基于Atmega168PA-AU的消防飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周雨峰　唐龍　胡遠(yuǎn)望

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一款基于Atmega168PA-AU單片機(jī)消防飛行器控制系統(tǒng)，用于無人機(jī)進(jìn)行消防偵察和救援。系統(tǒng)采用Atmega168PA-AU芯片和陀螺儀MURATENC-03RC芯片作為飛行控制器，通過2.4G無線和藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線通信獲取實(shí)時(shí)圖像，使用四個(gè)電子調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)調(diào)速。測試表明，無人機(jī)能按照預(yù)先設(shè)定的軌跡平穩(wěn)飛行，飛行器動(dòng)態(tài)性能良好，接受圖像信號(hào)清晰，使得技術(shù)人員能根據(jù)相關(guān)信息制定相應(yīng)火災(zāi)救援措施。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);消防;救援;飛行器

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0036-02

Abstract： In this paper， a fire control aircraft control system based on Atmega168PA-AU single chip microcomputer is designed， which is used for fire reconnaissance and rescue of UAV. The system uses Atmega168PA-AU chip and gyroscope MURATENC-03RC chip as flight controller， obtains real-time image through 2.4G wireless and Bluetooth module wireless communication， and uses four electronic governors to realize brushless motor speed regulation. The test shows that the UAV can fly smoothly according to the pre-set trajectory， the dynamic performance of the aircraft is good， and the image signal is clear， so that the technicians can formulate the corresponding fire rescue measures according to the relevant information.

Keywords： single chip microcomputer; fire fighting; rescue; aircraft

引言

近些年火災(zāi)安全問題日益嚴(yán)重，2019年的四川涼山森林火災(zāi)事件讓30名消防員失去了生命，澳大利亞的林火造成至少24人死亡、5億只動(dòng)物喪生，數(shù)百棟民居和數(shù)千公頃土地被毀。如采用無人機(jī)作為消防救援型飛行器可以識(shí)別林場中的火苗、識(shí)別受困人群，還可以快速前往投放物資施救，或能減少人員犧牲和財(cái)產(chǎn)損失。無人機(jī)可以分為：傘翼、旋翼、固定翼無人機(jī)。本文選用常見的四旋翼無人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的無人機(jī)用于森林消防的偵察和救援，因此要對(duì)火災(zāi)發(fā)生位置進(jìn)行航空攝像，并能對(duì)受困人員投遞一些質(zhì)量較小的物品等。整個(gè)無人機(jī)的電子裝置分為地面和機(jī)載兩大部分：地面設(shè)備包括發(fā)射機(jī)、信號(hào)接收模塊和地面監(jiān)控系統(tǒng);機(jī)載模塊包括單片機(jī)、陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓傳感器、GPS模塊、攝像頭、無線通信模塊、電子調(diào)速器、電機(jī)以及電池和電顯報(bào)警器。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 飛行控制器

飛行控制器是系統(tǒng)的核心模塊，它用來讀取傳感器數(shù)據(jù)，檢測并控制飛行器的飛行姿態(tài)，并通過無線通信模塊使飛行器和地面發(fā)射機(jī)進(jìn)行通訊，還可以控制攝像鏡頭視角變化等。系統(tǒng)的飛行控制器，采用了高性能、低功耗的8位AVR微處理器單片機(jī)Atmega168PA-AU芯片和陀螺儀MURATENC-03RC芯片。

Atmega168PA-AU芯片和三個(gè)MURATENC-03RC傳感器都集成在飛控板上。這樣避免導(dǎo)線的連接也減少外部的干擾。飛行控制器采用6組輸出通道，為了用于不同的環(huán)境，體現(xiàn)了靈活性。并采用6針I(yè)SP下載器接口，它的優(yōu)點(diǎn)是方便簡單，而且減少板子的復(fù)雜程度，飛行控制器采用SMD貼片工藝，它最大的特點(diǎn)是可以縮小飛行控制器的面積、體積，使得飛行器美觀，整體重量也減小。

用三個(gè)電位器改接三個(gè)陀螺儀的感度（一般情況不需要調(diào)節(jié)）。利用飛行器上三軸陀螺儀（角速度數(shù)據(jù)）進(jìn)行積分，得到三軸角度，再使用調(diào)速度計(jì)的數(shù)據(jù)（三軸重力）對(duì)陀螺儀積分進(jìn)行校準(zhǔn)就得到較為可靠地三軸角度值了，也就是無人機(jī)的姿態(tài)感知。

傳感器模塊包括：氣壓傳感器，GPS模塊。MCU與這些傳感器之間采用了SPI串口通信。據(jù)研究大氣氣壓與海拔高度存在一定函數(shù)關(guān)系，根據(jù)當(dāng)前氣壓即可求出當(dāng)前海拔高度。因此可以用測量氣壓方式判斷無人機(jī)的飛行高度，MCU將讀取氣壓值經(jīng)過運(yùn)算后可以解析出飛行器的海拔高度。GPS模塊用于測量無人機(jī)的地理位置。MCU讀取GPS模塊接收到的方位信息，并將其經(jīng)過轉(zhuǎn)換，從而解析出飛行器的方向、經(jīng)度、緯度等。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用了兩個(gè)無線模塊，分別是藍(lán)牙（Blue tooth）模塊、2.4G無線模塊。其中藍(lán)牙模塊用于傳輸飛行器的環(huán)境信息和監(jiān)測信息;2.4G無線模塊用于飛行器和地面監(jiān)控平臺(tái)之間的通信，采集飛行器的飛行軌跡和姿態(tài)。

2.3 電子調(diào)速器

本系統(tǒng)采用了四個(gè)電子調(diào)速器，為了給無刷電機(jī)調(diào)速。電子調(diào)速器又稱“電調(diào)”當(dāng)電子調(diào)速器接受不同的控制信號(hào)時(shí)，它就會(huì)輸出不同的功率給無刷電機(jī)，從而改變無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一個(gè)無刷電機(jī)配一個(gè)電子調(diào)速器。它的一端接飛行控制器，一端接無刷電機(jī)。

2.4 電源模塊

飛行器采用規(guī)格為3S1P/11.1V/2200mah/25C的Li-Po聚合物鋰離子電池。由于飛行器需要重量輕，功率大的電源的原因，它由3個(gè)單元的鋰電池組合而成，鋰電池每個(gè)單元的電壓3.7V左右。鋰電池可以提供11.1V的電壓，它的最大放電電流可以達(dá)到50A。它能為四軸飛行器持續(xù)提供長達(dá)15分鐘的動(dòng)力。

2.5 電顯報(bào)警器模塊

電顯報(bào)警器用來顯示鋰電池的電壓，并兼有低電壓報(bào)警功能。當(dāng)鋰電池放電到一定電壓時(shí)（鋰電池的電量不能完全用光，否者電池就算報(bào)廢了），電顯報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，四軸飛行器及時(shí)降落，防止飛行器不會(huì)因斷電從天空摔落下?lián)p壞。

2.6 發(fā)射機(jī)

采用-天地飛6通道的發(fā)射機(jī)（遙控器），為了飛行器向左、向右及各個(gè)方向飛行。主要用于控制飛行器的飛行。它能控制直線距離大于700米的飛行器。發(fā)射機(jī)采用FLASPEED原生2.4G技術(shù)。直接高速總線驅(qū)動(dòng)，避免中間延時(shí)，極大提高了操控敏捷。而且它基于DSSS擴(kuò)頻技術(shù)的高端“擴(kuò)頻+跳頻”通信系統(tǒng)，超高干擾性，可進(jìn)行60臺(tái)2.4G系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。

3 軟件設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求飛行器，將系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分成以下模塊，包括發(fā)射機(jī)控制模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、飛行控制模塊、視頻信號(hào)接收模塊。系統(tǒng)主要是根據(jù)發(fā)射機(jī)（遙控器）發(fā)送指令控制飛行器飛行的姿態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行無線模塊初始化，然后控制搖桿復(fù)位，系統(tǒng)讀取搖桿的電位，并根據(jù)搖桿電位計(jì)算控制搖桿的偏移量，經(jīng)過通訊協(xié)議編碼，經(jīng)無線通信芯片發(fā)送至飛行器。然后系統(tǒng)讀取飛行器的飛行參數(shù)包括飛行器的速度、高度和空間位置，解析飛行器的姿態(tài)，同時(shí)飛行器讀取無線通信芯片傳輸過來的數(shù)據(jù)，調(diào)整飛行姿態(tài)，包括起飛、懸停降落、前進(jìn)、后退、翻轉(zhuǎn)等，然后讀取攝像頭的視頻信號(hào)，并將視頻信號(hào)疊加飛行參數(shù)發(fā)送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。最后判斷是否自動(dòng)駕駛，如是則根據(jù)氣壓傳感器，GPS傳感器的參數(shù)自動(dòng)調(diào)整飛行姿態(tài);如否則根據(jù)控制搖桿的信號(hào)調(diào)整飛行姿態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

4 測試與驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)并制作飛行器后對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的測試。首先飛行軌跡測試中，飛行器能按照地面發(fā)射機(jī)的搖桿控制進(jìn)行起飛、懸停降落、前進(jìn)、后退、翻轉(zhuǎn)，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，飛行器的響應(yīng)時(shí)間小于1秒，響應(yīng)實(shí)時(shí)性較好，并且地面接受的圖像信號(hào)清晰，能夠攜帶質(zhì)量較輕的小物品，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的消防飛行器的硬件電路和軟件系統(tǒng)，經(jīng)過測試實(shí)行可以高難度的飛行姿態(tài)，具有較強(qiáng)的爬升能力，能采集視頻圖像，而且穩(wěn)定性能很好。盡管飛行器采用了大容量的鋰電池，但是飛行器的負(fù)載大，導(dǎo)致續(xù)航時(shí)間不是很長。下一步可以通過更換更大的鋰電池或者減少一些不必要的負(fù)載。讓飛行器能持久的續(xù)航，將使其真正走向?qū)嶋H應(yīng)用。

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