燕麗紅，林志雄，王 灝

（1.西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安710065；2.莆田學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 莆田 351100）

智能飛行器是指由無線電地面遙控飛行或和自主控制飛行的可垂直起降的不載人飛行器[1]。近年來,智能飛行機(jī)技術(shù)日趨成熟,性能不斷完善,逐步向小型化、智能化、隱身方向發(fā)展[2-3]，其更多地用于抗震救災(zāi)，交通管制等領(lǐng)域。而地震等各種自然災(zāi)害頻發(fā)且災(zāi)害的不可預(yù)知性及發(fā)生災(zāi)害地點(diǎn)的特殊地貌特征，使救援人員一般很難在第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)區(qū)獲取到災(zāi)情信息，或是在不利于人工作業(yè)的地區(qū)進(jìn)行勘探和偵察，對災(zāi)區(qū)救援工作帶來很大的不便。因此，采用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能，小型化的飛行器能實(shí)時(shí)進(jìn)行災(zāi)區(qū)情況監(jiān)測就顯得尤為重要。本系統(tǒng)在嵌入式ARMv7架構(gòu)下，通過模塊化思想設(shè)計(jì)了一款重量輕、動(dòng)力足、可以遠(yuǎn)程操控和自主導(dǎo)航飛行的飛行器。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)采用嵌入式為開發(fā)平臺，通過模塊化的思想進(jìn)行了智能監(jiān)控飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由主控模塊、飛行控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊、動(dòng)力模塊等五大模塊組成。其中飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Scheme of flight vehicle system

1.2 系統(tǒng)各模塊功能分析

1）主控模塊

本系統(tǒng)采用博創(chuàng)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式UP－CUPIOT A8－II平臺作為主控單元，主要負(fù)責(zé)接收和處理采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)、在接收無線傳輸模塊發(fā)送的控制指令的同時(shí)并向飛行控制模塊發(fā)送飛行器控制指令，將實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送至控制端。該平臺內(nèi)置Cortex－A8核心[4]，基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，具有強(qiáng)大的NEONTM信號處理擴(kuò)展集，含ZigBee無線傳感器模塊、RFID射頻讀卡模塊、Bluetooth藍(lán)牙通訊模塊、GSM/GPRS通訊模塊。另外可直接外擴(kuò)多種通訊模塊，如WIFI、3G、GPS等，能夠滿足各種應(yīng)用的需求。

2）飛行控制模塊

該模塊主要包括陀螺儀、加速度傳感器、重力傳感器、氣壓計(jì)、電子羅盤等傳感器[5]，各部分的功能如下：

陀螺儀：三軸陀螺儀的功能主要在空中檢測飛行器的飛行姿態(tài)。當(dāng)飛行器發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，檢測并通過積分計(jì)算出偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)時(shí)了解飛行器的飛行狀態(tài)，從而進(jìn)行飛行姿態(tài)的校正。

加速度傳感器：利用了其內(nèi)部加速度造成晶體變形的特性產(chǎn)生電壓。本系統(tǒng)通過加速度傳感器來獲取當(dāng)前飛行器在三維空間里的線性加速度，配合陀螺儀傳感器，進(jìn)而計(jì)算當(dāng)前的飛行姿態(tài)。

重力傳感器：可以測量出當(dāng)前飛行器與重力方向的夾角，從而判斷出飛行器是否處于水平狀態(tài)。同時(shí)，通過重力傳感器測量由于重力引起的加速度，可以計(jì)算出飛行器相對于水平面的傾斜角度。

氣壓計(jì)：能自動(dòng)連續(xù)記錄氣壓隨時(shí)間的變化。通過計(jì)算氣壓的變化，便可以粗略計(jì)算出當(dāng)前飛行器的海拔高度，配合信息采集模塊中的超聲波傳感器，便可以精確測量出當(dāng)前飛行的高度。

電子羅盤：電子羅盤也叫數(shù)字指南針，是利用地磁場來定北極的一種方法。通過電子羅盤，飛行器便可以精確得出當(dāng)前飛行器的方向，從而檢測飛行器是否發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且校正當(dāng)前的方向角度。

3）信息采集模塊

該模塊主要包括如下傳感器：

超聲波測距：采用了類似雷達(dá)的原理，通過向外發(fā)射超聲波，并接收反射回的超聲波，從而精準(zhǔn)的計(jì)算出當(dāng)前距離障礙物的距離。超聲波測距模塊可提供3 cm～3.5 m的非接觸式距離感測功能。本系統(tǒng)通過超聲波測距，測量出當(dāng)前飛行器精確的高度。也可通過超聲波測距模塊，循環(huán)讀取高度信息，從而自動(dòng)調(diào)整螺旋槳?jiǎng)恿Υ笮。瑢?shí)現(xiàn)定高懸停及自動(dòng)降落。

攝像頭：攝像頭（CAMERA）負(fù)責(zé)采集視頻信號。本系統(tǒng)攝像頭模塊采用中星微ZC301視頻芯片，該處理芯片讓視頻的處理速度更快，它可以在640x480及800x600的分辨率下輕松達(dá)到30fps的速度，能夠保證視頻的流暢傳輸，徹底消除跳躍感，并可以充分利用網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。

人體紅外傳感器：基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，本傳感器[6]采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。因?yàn)樵撃K可以檢測到地下5～7 m的人體紅外，本系統(tǒng)通過該模塊來檢測飛行器下方是否有生還者。如果發(fā)現(xiàn)生還者，則立即向控制者發(fā)出警示。

4）無線通信模塊

該模塊主要由具有USB接口的WIFI無線網(wǎng)卡和2.4G的射頻模塊組成。通過驅(qū)動(dòng)USB無線網(wǎng)卡，并搭建AD－HOC點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)飛行器與手持終端（如智能手機(jī)、平板電腦）和PC之間的通信。采樣2.4G的射頻模塊和遙控器之間進(jìn)行通信。

5）動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要包括：無刷電子調(diào)速器、XXD 2212無刷電機(jī)。

無刷電子調(diào)速器：電子調(diào)速器（Electronic Speed Controller），簡稱ESC。它可以根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

無刷電機(jī)：無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，本系統(tǒng)通過主控模塊發(fā)送電子調(diào)速器的控制信號，控制4個(gè)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，從而改變飛行器的飛行動(dòng)作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集模塊總體電路設(shè)計(jì)

信息采集模塊主要由 DS18B20（溫度傳感器）、HCSR501（人體紅外傳感器）、HC－SR04（超聲波測距傳感器）等幾部分組成，其中這三者之間和contex－A8總體電路圖如圖2所示。

圖2 信息采集模塊總體電路圖Fig.2 Circuit diagram of Information acquisition module

2.2 信息采集各分模塊的電路設(shè)計(jì)

1）HC－SR501人體紅外感應(yīng)模塊

HC－SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，低電壓工作模式，能廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。

2）DS18B20溫度傳感器

DS18B20采用單線接口通信的方式，結(jié)構(gòu)簡單無需其他元件電路，抗干擾能力強(qiáng)，適合于多種環(huán)境下的溫度采集。

3）HC-SR04超聲波傳感模塊

超聲波傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器原理圖Fig.3 Circuit diagram of Ultrasonic sensors

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 飛行器的總體工作過程

首先由遙控器控制飛行器起飛，主控模塊開始控制飛控模塊[7]，將飛控模塊的各傳感器數(shù)據(jù)采集到主控模塊，主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，控制飛行器達(dá)到穩(wěn)定飛行狀態(tài)。其次，主控模塊控制信息采集模塊，將各種傳感器信息采集后，由主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至pc終端或手持設(shè)備（平板電腦、手機(jī)），完成數(shù)據(jù)的處理。

3.2 飛行器飛行控制流圖

控制端和飛行器建立通信之后，利用無線通信向飛行器發(fā)送控制指令，無線通信模塊將數(shù)據(jù)接收，并發(fā)送給主控模塊，主控模塊對指令進(jìn)行識別，并向飛行控制模塊發(fā)出信號，飛行控制模塊最終控制動(dòng)力模塊做出相應(yīng)的指令。其飛行控制流圖如圖4所示。

圖4 飛行控制流圖Fig.4 General workflow of flight vehicle control

3.3 飛行器實(shí)時(shí)視頻采集流圖

主控模塊通過控制信息采集模塊中的攝像頭，讀取實(shí)時(shí)視頻信息，并通過M-JPEG STREAMER發(fā)送視頻流，最終通過無線通信模塊發(fā)送給控制端，其流圖如圖5所示。

圖5 視頻采集流圖Fig.5 General workflow of Video acquisition

3.4 飛行器傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

主控模塊通過控制信息采集模塊中的傳感器，讀取傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，將傳感器數(shù)據(jù)寫入XML文件，最終通過無線通信模塊發(fā)送給控制端，控制端再通過解析XML文件獲取到傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并做出顯示，其流圖如圖6所示。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集流圖Fig.6 General workflow of sensor

4 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)可以在Android系統(tǒng)中[8]，通過飛行器上搭建的BOA服務(wù)器，下載飛行器上的傳感器數(shù)據(jù)XML文件[9]，并在手持終端的應(yīng)用程序中進(jìn)行XML文件解析，以讀取實(shí)時(shí)的監(jiān)控信息。遙控器通過2.4 G射頻與飛行器相通信。

PC機(jī)通過飛行器上搭建的BOA服務(wù)器，可以直接讀取飛行器發(fā)送來的視頻流，同樣通過解析XML文件的方式，讀取飛行器上的傳感器數(shù)據(jù)。與手持終端不同的是，PC機(jī)上不需要額外安裝客戶端或配置環(huán)境，打開飛行器搭建的網(wǎng)頁即可進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。手持終端顯示如圖7所示，PC端顯示如圖8所示。

圖7 平板電腦控制端顯示Fig.7 Display of Handheld terminals

圖8 PC機(jī)控制端顯示Fig.8 Display of PCterminals

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用嵌入式UP-CUPIOT A8-II平臺，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊設(shè)計(jì)了一款飛行控制系統(tǒng)。該飛行器具有重量輕、體積小、動(dòng)力足、機(jī)動(dòng)靈活和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前嵌入式物聯(lián)網(wǎng)電子技術(shù)，使其具有超低空機(jī)動(dòng)飛行、定點(diǎn)懸停降落、實(shí)時(shí)視頻采集、生命探測等功能，可以廣泛應(yīng)用在城市交通探測、地震偵察救援、氣象監(jiān)測等領(lǐng)域。

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