畢慶生，田 浩，劉西安，楊圣敏，王益凡

（貴州振華群英電器有限公司（國(guó)營(yíng)第八九一廠） 貴州 貴陽(yáng) 550018）

1 引言

無(wú)人機(jī)由于其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)雖能夠在飛出出發(fā)點(diǎn)并且完成任務(wù)之后能夠?qū)崿F(xiàn)GPS自動(dòng)返航，降落到出發(fā)點(diǎn)，但是卻并不精準(zhǔn)，只能降落在以出發(fā)點(diǎn)為圓心，半徑為一米圓周的范圍內(nèi)。但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)的降落精準(zhǔn)性的要求，基于這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套完善的無(wú)人機(jī)的定位系統(tǒng)是相當(dāng)必要的。本文設(shè)計(jì)一種輔助系統(tǒng)來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)在自動(dòng)返航的過(guò)成中由于各種誤差所造成的降落偏離。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述無(wú)人機(jī)不能精準(zhǔn)降落的現(xiàn)狀，我們提出一種解決的方案。由于Onboard SDK無(wú)人機(jī)開發(fā)平臺(tái)具有開放的通信協(xié)議，從而通過(guò)與無(wú)人機(jī)的飛行控制器進(jìn)行通信來(lái)代替遙控器自主控制無(wú)人機(jī)的飛行。因此可以制作一塊能與無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信的機(jī)載設(shè)備，機(jī)載設(shè)備上裝備有單片機(jī)作為主處理器，藍(lán)牙接收模塊進(jìn)行短距離通信，紅外發(fā)射器進(jìn)行發(fā)射紅外定位信號(hào)。機(jī)載設(shè)備上的單片機(jī)一方面可以通過(guò)發(fā)出特定的PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器發(fā)射定位信號(hào)。另一方面可以用于處理接受藍(lán)牙接收模塊接收到的定位信號(hào)，然后與無(wú)人機(jī)的飛行控制器進(jìn)行通信，從而控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)。同時(shí)在出發(fā)點(diǎn)設(shè)置一塊地面接收站，該接收站具體是制作一個(gè)以出發(fā)點(diǎn)為圓心，半徑為一米的圓盤，在圓盤的圓周上均勻分布著若干個(gè)具有特定接收頻率的紅外接收器，每個(gè)紅外接收器都與另外一個(gè)單片機(jī)通過(guò)IO口進(jìn)行連接，同時(shí)該單片機(jī)的周圍還必須集成一個(gè)藍(lán)牙發(fā)送模塊來(lái)與機(jī)載設(shè)備進(jìn)行通信，這一部分作為起到監(jiān)控地面接收站的作用。當(dāng)無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航到出發(fā)點(diǎn)上方一定距離的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)發(fā)射特定頻率的PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器，由于通過(guò)對(duì)紅外發(fā)射器的發(fā)射角度進(jìn)行控制，可以達(dá)到這種狀態(tài)：當(dāng)無(wú)人機(jī)處于接收站的正上方，也就是圓心位置的時(shí)候，地面接收站的紅外接收器能夠全部接收到紅外信號(hào)，無(wú)論無(wú)人機(jī)偏離了哪個(gè)方向，該方向上的紅外接收器均不能接收到紅外信號(hào)。這樣，當(dāng)無(wú)人機(jī)發(fā)射紅外信號(hào)之后，地面接收站上能感應(yīng)出無(wú)人機(jī)的具體方位信息，該方位信息被監(jiān)控單片機(jī)所檢測(cè)，通過(guò)到每個(gè)方位的紅外接收器的狀態(tài)，從而判斷無(wú)人機(jī)偏離的角度，最后通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)回傳給機(jī)載設(shè)備上的藍(lán)牙接收模塊，機(jī)載設(shè)備上的單片機(jī)會(huì)通過(guò)接收到的信號(hào)了解到無(wú)人機(jī)的偏離方位，同時(shí)與無(wú)人機(jī)的飛行控制器進(jìn)行通信，重新調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行角度，從而達(dá)到自主控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行方位校準(zhǔn)的目的。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)要求，可以把定位系統(tǒng)分為三個(gè)部分，第一部分是機(jī)載設(shè)備，其主要作用是通過(guò)接收地面?zhèn)骰貋?lái)的方位信號(hào)來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)的降落方位；第二部分是接收站，主要是起到給無(wú)人機(jī)定位的作用，可以說(shuō)是無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)系統(tǒng)的導(dǎo)航儀；第三部分是監(jiān)控模塊，主要是通過(guò)檢測(cè)接收站的接受信息來(lái)判定無(wú)人機(jī)的方位，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙短距離通信技術(shù)將無(wú)人機(jī)的具體方位信號(hào)回傳給機(jī)載設(shè)備。下面將分別介紹各個(gè)部分的原理結(jié)構(gòu)與功能作用。

2.1 機(jī)載設(shè)備

機(jī)載設(shè)備由主芯片STM32，紅外發(fā)射器以及藍(lán)牙接收模塊組成。STM32具有低功耗、低成本、性能高等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選取“增強(qiáng)型”的STM32F103ZET6，因?yàn)樵鰪?qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。紅外發(fā)射器是由紅外燈珠和具有特定角度的紅外燈罩所構(gòu)成，這個(gè)燈罩的角度只需要保證在無(wú)人機(jī)在接收站上方一到兩米的范圍內(nèi)紅外發(fā)射器能覆蓋整個(gè)接收站即可，這里我們選取60度的燈罩。藍(lán)牙模塊（包括藍(lán)牙發(fā)送模塊和藍(lán)牙接收模塊）選取的是主從機(jī)一體HC-05模塊，具有高集成、低成本以及靈活性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載設(shè)備主要功能為當(dāng)無(wú)人機(jī)降落功能開啟之后，降落到距離地面一定位置時(shí)，精準(zhǔn)定位系統(tǒng)開啟，通過(guò)STM32芯片發(fā)射特定頻率的PWM波，使紅外發(fā)射器發(fā)射特定波長(zhǎng)的紅外波，該波長(zhǎng)的紅外波能被紅外接收器接收，使接收過(guò)程不易收到其他紅外光線干擾。同時(shí)，紅外接收器可以接收到地面控制模塊回傳的數(shù)據(jù)，再由STM32與無(wú)人機(jī)的飛行控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的方向以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的功能，如圖2-1所示。

圖2-1 機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)原理框圖

2.2 接收站

在無(wú)人機(jī)的出發(fā)點(diǎn)放置一個(gè)半徑為一米的圓形接收器，在接受器的圓周上均勻放置多個(gè)紅外接收器，同時(shí)在圓心位置也放置一個(gè)紅外接收器。只有當(dāng)無(wú)人機(jī)處于接收器正上方的時(shí)候才會(huì)使所有接收器都能接收到信號(hào)，如圖2-2所示。紅外傳感器的個(gè)數(shù)決定著系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，傳感器均勻分布的個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)就越復(fù)雜，同時(shí)系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位性能也就越好。本設(shè)計(jì)主要為了試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性以及可靠性，所以選取了五個(gè)方位，即東南西北中五個(gè)方向。當(dāng)無(wú)人機(jī)降落到離接收站不到兩米的距離時(shí)，紅外發(fā)射器打開，按照計(jì)算好的紅外燈罩的角度，只有當(dāng)無(wú)人機(jī)處于接收站的正上方的時(shí)候，五個(gè)方向的紅外接收器才能全部接受到信號(hào)，若哪一個(gè)方向沒(méi)有接收到信號(hào)，則說(shuō)明無(wú)人機(jī)偏離了這個(gè)方向。

圖2-2 接收站設(shè)計(jì)圖

2.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊是由STM32芯片，LCD顯示屏以及藍(lán)牙發(fā)送模塊組成。STM32的型號(hào)依然是“增強(qiáng)型”的STM32F103ZET6，主要功能是當(dāng)無(wú)人機(jī)降落時(shí)，STM32主處理器不斷的檢測(cè)地面接收站的接受狀態(tài)，并且將接收器的狀態(tài)信號(hào)通過(guò)特定的程序與算法將無(wú)人機(jī)的偏離方向計(jì)算出來(lái)，也就是說(shuō)將接收站的紅外接收器的接受狀態(tài)轉(zhuǎn)換成無(wú)人機(jī)的降落方位信號(hào)。得到該方位信號(hào)之后，一方面將無(wú)人機(jī)的方位信號(hào)由LCD顯示屏顯示出來(lái)，同時(shí)又通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送模塊將信號(hào)回傳給機(jī)載設(shè)備，如圖2-3所示。

圖2-3 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)原理框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)載設(shè)備程序設(shè)計(jì)

配置好機(jī)載設(shè)備上的STM32的串口和定時(shí)器之后，當(dāng)無(wú)人機(jī)靠近地面的時(shí)候，STM32需要給紅外發(fā)射器一個(gè)特定頻率的PWM波。由于紅外接收器的接收的紅外頻率為38KHz，所以紅外發(fā)射器發(fā)射紅外的頻率要與之一致，也就是機(jī)載設(shè)備上的STM32芯片要輸出38KHz的PWM波。發(fā)出紅外波之后，STM32等待藍(lán)牙接收模塊接收地面的回傳信號(hào)，當(dāng)藍(lán)牙接收模塊傳送回來(lái)的方位信號(hào)之后，判斷飛機(jī)的方位是否發(fā)生了偏離。一旦檢測(cè)到無(wú)人機(jī)的降落方位發(fā)生了偏離，STM32會(huì)立即與無(wú)人機(jī)的飛行控制器進(jìn)行通信，由于Onboard SDK無(wú)人機(jī)開發(fā)平臺(tái)擁有開放的通信協(xié)議，STM32能通過(guò)控制飛行控制器來(lái)校準(zhǔn)無(wú)人機(jī)降落方位，調(diào)整完成之后繼續(xù)重復(fù)上述定位過(guò)程，直到無(wú)人機(jī)方位沒(méi)有發(fā)生偏移，即可控制無(wú)人機(jī)按照調(diào)整好的方位進(jìn)行降落。

3.2 監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊的主處理器的程序主要是檢測(cè)地面接收站的紅外接收器接收紅外的狀態(tài)信息，由于接收站是由若干個(gè)紅外接收器組成，均勻的分布代表著接收站圓周上的各個(gè)方向，所以這些信息就組成了無(wú)人機(jī)的方位信號(hào)。首先配置好監(jiān)控模塊上的STM32串口參數(shù)，接著不斷的檢測(cè)這些方向的傳感器的信號(hào)狀態(tài)，通過(guò)特定的算法將這些狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換無(wú)人機(jī)方位并且

將方位信號(hào)由顯示屏顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙模塊將方位信號(hào)回傳給機(jī)載設(shè)備，由機(jī)載設(shè)備與無(wú)人的飛行控制器控制無(wú)人機(jī)的方位校準(zhǔn)與降落。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以五個(gè)外接收器為例，分別代表東、南、西、北、中五個(gè)方位，由于記載設(shè)備上的紅外發(fā)射器的燈罩角度為60度，地面接收站的圓半徑BC=1米，通過(guò)計(jì)算，當(dāng)無(wú)人機(jī)降落到距離地面AB=√3米的時(shí)候，開啟定位功能，如下圖4-1所示。

圖4-1 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的方位示意圖

顯示結(jié)果如下圖4-2所示。

圖4-2 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的實(shí)物圖

當(dāng)無(wú)人機(jī)使用精準(zhǔn)定位功能的時(shí)候，地面接收站的狀態(tài)如下圖4-3（b）所示，此時(shí)監(jiān)控模塊的顯示界面如下圖4-4所示，表明了無(wú)人機(jī)此時(shí)的方位。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)降落系統(tǒng)，具有良好的精準(zhǔn)性、實(shí)時(shí)性、安全性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)機(jī)載設(shè)備位于接收站的上方時(shí)，接收站能準(zhǔn)確地將信號(hào)傳給監(jiān)控界面，并且通過(guò)藍(lán)牙模塊回傳給機(jī)載設(shè)備。符合當(dāng)前的市場(chǎng)要求，在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中有著很大的潛力。