伏勛, 任曉明，賈永興,羅楨，高華平

　?。ㄉ虾ｋ姍C(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

       摘要：為能全面實(shí)時(shí)地采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用Freescale K60微控制器作為主控芯片，MPU6050慣性測量傳感器和AK8975三軸磁羅盤作為慣性導(dǎo)航單元，使用PID控制算法并以PWM方式驅(qū)動(dòng)三相無刷電機(jī)，從而控制四軸飛行器飛行姿態(tài)。通過2.4 GHz和5.8 GHz頻段將采集到的溫/濕度、PM2.5/PM10濃度、攝像頭采集圖像等信息傳輸?shù)娇刂婆_(tái)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)滿足不同環(huán)境下及時(shí)采集數(shù)據(jù)、有效視頻監(jiān)測的要求，對(duì)實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測有一定的應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：四軸飛行器；環(huán)境信息采集；K60微處理器

　　中圖分類號(hào)：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.028

　　引用格式：伏勛, 任曉明，賈永興，等. 基于K60的四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（23）：96-99.

0引言

　　近年來空氣污染引起了公眾的熱議，如何有效、及時(shí)地處理空氣污染問題成為焦點(diǎn)。本文基于環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)。傳感器技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，尤其是微電子和微機(jī)械技術(shù)的逐步成熟，使四軸飛行器的自主飛行控制得以實(shí)現(xiàn)，并成為國際上的研究熱點(diǎn)［1］。

　　文獻(xiàn)［1］ 采用STM32系列32位處理器作為主控制器，使用ADIS16355慣性測量單元等傳感器用于姿態(tài)信息檢測，使用PID控制算法進(jìn)行姿態(tài)角的閉環(huán)控制。文獻(xiàn)［2］ 采用 STM32作為主控芯片，三軸加速度傳感器MPU6050作為慣性測量單元，通過2.4 GHz無線模塊和遙控板進(jìn)行通信，最終使用PID控制算法以PWM方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［3］采用 ARM處理器控制無刷直流電機(jī)，并且通過加速度傳感器和陀螺儀的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行器的平衡控制和姿態(tài)調(diào)節(jié)。

　　本文設(shè)計(jì)了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)，以K60微處理器為核心，采用慣性測量模塊MPU6050姿態(tài)獲取技術(shù)，搭建四軸飛行器控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)包括四軸飛行器控制、環(huán)境信息采集、控制臺(tái)三部分。其中，四軸飛行器采用人工遙控控制；環(huán)境信息采集以模塊化為主，將圖像、溫濕度、PM2.5和PM10各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集顯示輸出；控制臺(tái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互與遙控。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)四軸飛行器實(shí)際的飛行需求和設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用主控單元K60采集環(huán)境信息，處理由溫濕度檢測模塊、PM2.5/ PM10檢測模塊反饋的數(shù)據(jù)，并在參數(shù)顯示器上顯示；TS832發(fā)射端將攝像頭采集到的圖像信息通過工作頻率5.8 GHz無線傳輸?shù)竭b控器上的RC832接收端，并反映到圖像顯示器；領(lǐng)航者飛行控制器采用STM32F407VG芯片控制算法求解電機(jī)轉(zhuǎn)速，連接T6EHPE接收機(jī)，通過2.4 GHz頻段與遙控器進(jìn)行無線傳輸，由遙控器操作四軸飛行器執(zhí)行相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1四軸飛行控制器

　　四軸飛行控制器的核心有MPU6050慣性測量傳感器、AK8975三軸磁羅盤、MS5611高精度氣壓儀。MPU6050慣性測量傳感器驅(qū)動(dòng)方式采用I2C接口，時(shí)鐘引腳 SCL連接到控制器的PB6，數(shù)據(jù)引腳連接到控制器的PB7，數(shù)據(jù)中斷引腳連接到控制器的PD7，其硬件原理圖如圖2所示。

　　AK8975三軸磁羅盤帶有高敏感度霍爾傳感器，通過增強(qiáng)信號(hào)處理器體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)測量范圍和低電流消耗，不需外部時(shí)鐘［4］。

　　MS5611高精度氣壓儀由壓阻傳感器和傳感器接口組成，將測量的補(bǔ)償模擬氣壓值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成24位數(shù)字輸出，采用I2C串行接口，串行時(shí)鐘SLCK和串行數(shù)據(jù)SDA與外部控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［5］，其硬件原理圖如圖3所示。

　　設(shè)計(jì)選用F450型號(hào)的四軸飛行器機(jī)架，該飛行器載重量大、穩(wěn)定性強(qiáng)、加裝區(qū)域大、姿態(tài)控制簡單。四軸飛行器采用人工遙控控制，通過飛機(jī)前部攝像頭，將拍攝的影像傳給遙控器，并在顯示器上顯示，有利于操作人員對(duì)飛行器做出正確控制。

　　2.2環(huán)境信息采集

　　2.2.1圖像信息的采集

　　本系統(tǒng)采用700線攝像頭、TS832發(fā)射端和RC832接收端，攝像頭模塊拍攝現(xiàn)場狀況，反饋到機(jī)架上的圖像收發(fā)模塊，通過5.8 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的圖像收發(fā)模塊，反映到圖像顯示器（4.3英寸）上。圖4所示為四軸飛行器飛行過程中拍攝到的一張圖像。

　　2.2.2溫濕度檢測模塊

　　本系統(tǒng)采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，傳感器包括一個(gè)電阻式溫濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并且與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接。

　　通過溫濕度檢測模塊來檢測環(huán)境中的溫濕度，通過K60單片機(jī)來處理傳感器反饋的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的環(huán)境參數(shù)顯示器上，得到某一天的溫濕度數(shù)據(jù)如表1。

       2.2.3PM2.5和PM10濃度采集

　　本系統(tǒng)采用SDS011激光PM2.5傳感器，能夠得到空氣中 0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，對(duì)PM2.5濃度及PM10濃度進(jìn)行檢測。其具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、集成度高、分辨率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、數(shù)字化輸出等特點(diǎn)［6］。

　　通過SDS011激光PM2.5傳感器來采集環(huán)境中的各種參數(shù)，經(jīng)K60單片機(jī)處理傳感器反饋的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的環(huán)境參數(shù)顯示器上。得到幾組PM2.5和PM10濃度的日變化數(shù)據(jù)，如表2所示。將測得數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)貧庀缶直O(jiān)測數(shù)據(jù)作比較，其PM2.5有±1.2%偏差，PM10有±2.4%偏差，測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高。

　　2.2.4顯示反饋數(shù)據(jù)

　　本系統(tǒng)采用0.96英寸OLED液晶屏連接到K60芯片上，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，如圖5所示。

　　2.3控制臺(tái)

　　控制臺(tái)部分的研究涉及到遙控、OLED顯示、圖像顯示、無線數(shù)據(jù)傳輸。OLED顯示和圖像顯示已在環(huán)境信息采集中介紹。數(shù)據(jù)無線傳輸選用nRF24L01+無線接收模塊。nRF24L01+是一款工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。其擁有極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA。掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。nRF24L01+模塊和K60單片機(jī)的連接圖如圖6所示。

3軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用IAR開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便?；境绦蚰K有溫濕度采集模塊、PM2.5/PM10采集模塊、OLED顯示模塊、nRF24L01+無線收發(fā)模塊等，各個(gè)模塊既能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)各部分功能，又可以共同工作達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　3.1數(shù)據(jù)發(fā)送

　　主控芯片K60按照中斷時(shí)間間隔向DTH11溫濕度傳感器、PM2.5傳感器發(fā)送起始信號(hào)，將讀出的溫濕度、PM2.5/PM10等信息進(jìn)行整理校驗(yàn)后，通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給控制終端，數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖7所示。采用定時(shí)器中斷的方式完成采集任務(wù)，本設(shè)計(jì)采用每2 200 ms PIT0中斷一次，采集一次數(shù)據(jù)。由于時(shí)間間隔較短，各傳感器的數(shù)據(jù)顯示不斷更新，從而能夠?qū)崟r(shí)檢測到各環(huán)境參數(shù)的變化情況。

　　3.2數(shù)據(jù)接收

　　在中斷時(shí)間到達(dá)后，K60主控芯片發(fā)送指令，nRF24L01+模塊接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)正確，則進(jìn)行OLED顯示，否則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4結(jié)論

　　本文介紹了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并分別對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以K60為主控制器，通過2.4 GHz和5.8 GHz無線模塊進(jìn)行通信控制，通過MPU 6050進(jìn)行姿態(tài)獲取，使用反饋控制算法進(jìn)行電機(jī)控制。安裝調(diào)試后，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的姿態(tài)控制；攝像頭正常拍攝影像且實(shí)時(shí)發(fā)送給遙控端接收器；飛機(jī)在飛行時(shí)能夠采集環(huán)境中的溫度、濕度、PM2.5、PM10等信息，并且能夠通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)娇刂婆_(tái)。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 劉峰，呂強(qiáng)，王國勝，等.四軸飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(3)：583585.［2］ 常國權(quán)，戴國強(qiáng).基于STM32的四軸飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15(2)：29-32.

　　［3］ 陳海濱，殳國華.四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(3)：41-44.

　　［4］ 李堯．四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

　?。?］ BOUABDALLAH S. Design and control of quadrotors with application to autonomous flying［D］.Switzerland:Lausanne EPFL,2007.

　　［6］ 付佳賀．四軸飛行器的設(shè)計(jì)與研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2015.