李承駿　商凱迪　朱凱飛

摘要：本文設(shè)計的四軸飛行器控制CPU采用STCl5W4K32S4單片機(jī)，充分利用其接口和存儲資源豐富的特點，通過超聲波傳感器與氣壓計檢測飛行器的飛行高度、陀螺儀檢測飛行器的平衡狀態(tài)、GPS實現(xiàn)導(dǎo)航，結(jié)合藍(lán)牙無線電路收發(fā)數(shù)據(jù)，并使用PID算法對飛行器進(jìn)行飛行控制計算，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障導(dǎo)航功能的四軸飛行器。多次飛行試驗表明自動避障導(dǎo)航系統(tǒng)能較好地執(zhí)行飛行任務(wù)，達(dá)到既定設(shè)計目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；STCl5W4K；自動避障；導(dǎo)航

中圖分類號V2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號2095-6363（2015）12-0065-01

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)

四軸飛行器自動避障導(dǎo)航系統(tǒng)包括機(jī)載控制系統(tǒng)平臺和地面站遙控平臺及地面站監(jiān)測平臺。機(jī)載系統(tǒng)通過無線模塊與地面站遙控平臺和檢測平臺進(jìn)行通信。機(jī)載控制系統(tǒng)包括無線模塊、藍(lán)牙模塊、超聲波避障模塊、陀螺儀模塊、飛控板、GPS定位模塊、電機(jī)信號功率放大電路、STCl5W4K32S4主處理器模塊等。地面站遙控平臺主要由藍(lán)牙模塊、輸入模塊以及處理器模塊組成；地面站監(jiān)測平臺主要由無線模塊、顯示模塊以及處理器模塊組成。

本文設(shè)計的四軸飛行器，要求能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能。

1）通過自制的地面站遙控平臺控制飛行器按一般飛行器的飛行模式飛行外，還能夠切換到定點模式和自動避障導(dǎo)航模式。

2）能夠利用地面站遙控平臺發(fā)送目標(biāo)地點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)給飛行器。

3）當(dāng)切換到自動避障導(dǎo)航模式后，飛行器能夠自動繞開障礙物順利到達(dá)目標(biāo)位置后平穩(wěn)降落。

4）能夠通過地面數(shù)據(jù)監(jiān)測站查看當(dāng)前飛行器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括前方、上方和下方障礙物的距離，當(dāng)前經(jīng)緯度及前傾（俯仰）、側(cè)傾（翻滾）、油門和偏航信號的大小。

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計

四軸飛行器地面站遙控平臺、地面站監(jiān)測平臺及機(jī)載系統(tǒng)硬件設(shè)計分別介紹如下。

1）地面站遙控平臺硬件組成部分有STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源電路、雙搖桿手柄模塊、PCF8591A/D轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙通訊模塊等模塊。

2）地面站監(jiān)測平臺硬件組成部分有STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、穩(wěn)壓電源電路、12864液晶顯示模塊、無線通訊模塊等模塊。

3）機(jī)載系統(tǒng)硬件組成部分有四軸飛行器飛行系統(tǒng)及電子控制系統(tǒng)等模塊，其中電子控制系統(tǒng)主要由STCl5W4K32S4單片機(jī)最小系統(tǒng)、機(jī)載電池、穩(wěn)壓電源電路、ARM飛控板、GPS、超聲波、陀螺儀、藍(lán)牙、無線等模塊組成。機(jī)載系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)復(fù)雜的功能分解成功能單一、接口簡單、結(jié)構(gòu)清晰、容易理解的功能子程序模塊，然后由主程序按照規(guī)定順序流程調(diào)用子程序，方便調(diào)試和修改。軟件總體框圖如圖2所示。

機(jī)載系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化：GPS開關(guān)復(fù)位為打開，超聲波定高開關(guān)復(fù)位為關(guān)閉，LED燈關(guān)斷，PWM輸出端口初始化為低，超聲波12C串行總線初始化為空閑狀態(tài)，串口初始化內(nèi)容包括設(shè)置串口通信方式為方式1，波特率為9600，1位停止位，無校驗位。初始化完成后進(jìn)入大循環(huán)中，首先進(jìn)行判斷串口一幀數(shù)據(jù)是否接收完成，如果接收完成則處理一幀數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入判斷超聲波定高是否打開，如果超聲波打開則進(jìn)行超聲波定高處理，否則進(jìn)入PWM初值轉(zhuǎn)載判斷環(huán)節(jié)，若上一次初值裝載完成，則進(jìn)行初值重新裝載，否則等待PWM初值裝載完成。

為實現(xiàn)自動避障導(dǎo)航功能，需要對障礙物進(jìn)行距離測量，對反饋數(shù)據(jù)處理后送入飛控處理，由飛控發(fā)出飛行姿態(tài)調(diào)整的指令，并向地面站發(fā)送數(shù)據(jù)，循環(huán)進(jìn)行，完成飛行任務(wù)。飛行流程如圖3所示。

4.實驗情況

完成后的系統(tǒng)實物如圖4所示。經(jīng)實際試飛實驗，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動避障功能，較好地執(zhí)行了飛行任務(wù)，達(dá)到了既定設(shè)計目標(biāo)。

5.總結(jié)

本文基于STCl5W4K32S4單片機(jī)，利用其豐富的集成功能，采用模塊化的硬件設(shè)計思想和模塊化的軟件編程思想，完成了自動避障系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了飛行器自動導(dǎo)航與避障功能。考慮到四軸飛行器廣闊的應(yīng)用前景，該設(shè)計有著良好的實用價值和應(yīng)用前景。