項(xiàng)曉強(qiáng)，陳　冉，許耀華

安徽大學(xué)，安徽合肥　230601

用于航模探空火箭的遠(yuǎn)程控制發(fā)射與全程跟蹤系統(tǒng)的研究

項(xiàng)曉強(qiáng)，陳冉，許耀華

安徽大學(xué)，安徽合肥230601

目前社會(huì)的生產(chǎn)生活中，航模探空火箭已經(jīng)運(yùn)用到社會(huì)的各個(gè)方面，如軍用靶機(jī)，人工降雨，地形勘探等等。但是從目前來(lái)看，航模探空火箭目前還存在著許多問(wèn)題。目前航模探空火箭的發(fā)射都是人工點(diǎn)火，且距離較為接近，具有一定的危險(xiǎn)性。除此之外，探空火箭后，由于其速度較快，升空后高度較高，往往無(wú)法觀測(cè)到火箭發(fā)射后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及確定火箭降落后的定點(diǎn)位置。因而，本系統(tǒng)主要是解決這兩類問(wèn)題，采用無(wú)線遠(yuǎn)程控制發(fā)射以及APM飛控+GPS全程監(jiān)測(cè)火箭的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)探空火箭的全程跟蹤。

無(wú)線遠(yuǎn)程控制；APM；GPS；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與全程跟蹤

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)分成遠(yuǎn)程控制發(fā)射和全程跟蹤兩大模塊。遠(yuǎn)程控制模塊以STC89C52和Siliconlab單片機(jī)為主控芯片，主要分成定時(shí)、電源，交互、串口通信以及繼電器等4個(gè)小模塊，并構(gòu)成主機(jī)和副機(jī)兩大分模塊。遠(yuǎn)程控制模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)主機(jī)的定時(shí)顯示，并在時(shí)間到達(dá)時(shí)，由串口通信模塊像副機(jī)上的通信模塊發(fā)送脈沖信號(hào)，并在此時(shí)點(diǎn)火火箭，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的控制發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛控和GPS作為主要組成部分，并結(jié)合上位機(jī)軟件Mission Planner實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭的全程跟蹤?；鸺l(fā)射后，可在Mission Planner軟件界面上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火箭的速度、高度、升降速度、與航點(diǎn)距離以及火箭在GPS全球定位地圖上的精確位置。除此之外，本系統(tǒng)還可以利用APM飛控自帶的陀螺儀來(lái)調(diào)節(jié)火箭在發(fā)射前的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的豎直發(fā)射。

2　遠(yuǎn)程控制發(fā)射部分設(shè)計(jì)

2.1主控芯片

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用低功耗、高性能的CMOS8位微控制器STC89C52RC 40I LQFP44，我們采用此芯片作為系統(tǒng)定時(shí)、計(jì)數(shù)、顯示功能的實(shí)現(xiàn)，以該芯片為中心，結(jié)合定時(shí)模塊、串口通信模塊、繼電器模塊，從而構(gòu)成整個(gè)大系統(tǒng)模塊。該芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，應(yīng)用廣泛，以常用的C語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。

2.2定時(shí)模塊

在火箭發(fā)射指令下達(dá)之前，需對(duì)指令進(jìn)行一定的延時(shí)。本系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)主機(jī)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，從而控制火箭的發(fā)射時(shí)機(jī)。系統(tǒng)采用的是紅外控制的方式來(lái)控制單片機(jī)進(jìn)行有選擇性的定時(shí)。定時(shí)時(shí)間范圍為0s～9s。定時(shí)時(shí)間的選擇由發(fā)射者從紅外遙控器的選擇上來(lái)確定［1，3］。

2.3遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

整個(gè)系統(tǒng)的方案圖如圖1所示，當(dāng)操控者選擇了所需要的時(shí)間時(shí)，單片機(jī)定時(shí)器模塊開始倒數(shù)計(jì)數(shù)，同時(shí)并在顯示器上顯示：choosetime_s，Areyousure？當(dāng)計(jì)時(shí)器到達(dá)零點(diǎn)后，芯片即通過(guò)串口通信模塊向以Siliconlab為主控芯片的C10x模塊發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)，同時(shí)C10x將此信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)方的副機(jī)（接收機(jī)），主機(jī)與副機(jī)都會(huì)想起蜂鳴器警報(bào)［2，3］，副機(jī)并同時(shí)為繼電器通電，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電路的連通。

3　全程跟蹤模塊

3.1APM模塊

APM是ArduPilot Mega系列飛控的簡(jiǎn)稱，由美國(guó)3DRobotics設(shè)計(jì)，此產(chǎn)品全兼容于Arduino。本系統(tǒng)利用飛控的控制以及數(shù)據(jù)反映的特性，用來(lái)檢測(cè)探空火箭的高度、速度、位置等精確的物理信息。本系統(tǒng)采用的是APM飛控。APM飛控系統(tǒng)是國(guó)外的一個(gè)開源飛控系統(tǒng)，能夠支持固定翼，直升機(jī)，3軸，4軸，6軸飛行器。在此，我們只使用它的數(shù)據(jù)分析與采集的功能來(lái)記錄探空火箭的高度、平衡速度、升降速度等精確信息。

APM主控芯片Atmega1280是AVRVI設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。Atmega1280作為APM飛控的主控芯片，由于APM的商用開源特性，因而我們可以根據(jù)一些特定的需要，修改芯片當(dāng)中已燒錄的程序，也可根據(jù)不同環(huán)境使用需要，修改部分參數(shù)。

3.2GPS模塊

經(jīng)過(guò)多次論證，本系統(tǒng)采用的是U-blox公司生產(chǎn)的NEO-6M GPS模塊。ATK-NEO-6M-V2.3（V2.3是版本號(hào)）是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組。由于其自帶的優(yōu)秀特性，我們采取該型號(hào)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)在全球定位系統(tǒng)的地圖上對(duì)火箭的實(shí)時(shí)追蹤?？梢詽M足各種配置需求。模塊還自帶可充電后備電池。

3.3上位機(jī)Mission Planner

Mission Planner，由Michael Oborne開發(fā)。其主要用于與APM飛控匹配，作為APM飛控的上位機(jī)軟件。其在本系統(tǒng)中主要作用是用來(lái)顯示APM模塊和GPS模塊通過(guò)數(shù)傳模塊傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)信息，包括速度、高度、與航點(diǎn)距離、升降速度、地圖定位以及平衡狀態(tài)等。

3.4全程跟蹤模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

全程跟蹤模塊以APM為中心，輔以GPS全球定位系統(tǒng)以及上位機(jī)Mission Planner，從而實(shí)現(xiàn)所需功能，如圖3所示。在火箭未升空時(shí)，我們可以使用上位機(jī)界面左上角的陀螺儀平衡檢測(cè)區(qū)域來(lái)調(diào)整火箭發(fā)射前的狀態(tài)，并同時(shí)調(diào)整，盡量使火箭為標(biāo)準(zhǔn)的豎直狀態(tài)。當(dāng)火箭升空后，我們即可使用上位機(jī)的左下方速度檢測(cè)區(qū)域以及右部GPS地圖檢測(cè)區(qū)域來(lái)監(jiān)控火箭在空中的實(shí)時(shí)位置及相關(guān)的速度等數(shù)據(jù)［4］。

4　結(jié)論

整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制模塊和全程跟蹤模塊構(gòu)成。以STC、Atmega、Siliconlab主控芯片為基礎(chǔ)進(jìn)行模塊拓展，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)模塊。從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)所需的相關(guān)功能。本文設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)距離的安全發(fā)射裝置，以C10X-433MHz的無(wú)線透明傳輸模塊為基礎(chǔ)，理論上的最遠(yuǎn)極限距離可達(dá)到1km，做到了理想中的遠(yuǎn)距離的安全發(fā)射。全程跟蹤模塊以APM飛行控制模塊為基礎(chǔ)，搭載GPS全球定位系統(tǒng)，配合Mission Planner上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了良好的全數(shù)字化、圖像化的追蹤功能。APM系列飛控原主要用于多軸以及固定翼等無(wú)人機(jī)上，本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將APM飛控搭載到了航模探空火箭上，解決了軍民在使用探空火箭時(shí)的一些定位問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，將來(lái)探空火箭市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)電磁發(fā)射的方式，會(huì)顛覆以往火箭發(fā)射的模式。

［1］譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［M］.4版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2009.

［3］郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］.1版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［4］楊陽(yáng).基于APM開源飛控平臺(tái)的四軸旋翼飛行器［J］.信息通信，2015（8）：68.

TP39

A

1674-6708（2016）166-0113-02

安徽大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201510357220；項(xiàng)目代碼：J18515340。

項(xiàng)曉強(qiáng)，安徽大學(xué)。陳冉，安徽大學(xué)。許耀華，安徽大學(xué)。