论文部分内容阅读
摘要：四轴飞行器具有结构简单、能耗低、体积小等优点，在多处领域被使用。在复杂环境中飞行，遇到障碍物时，通过人为操纵飞行器不断改变飞行状态避开障碍物难度较大，该设计利用6路超声波检测模块计算障碍物位置，实现自动避障。具有灵活性强、稳定性高等特点，大大降低了飞机坠机的风险。
关键词：四轴飞行器；智能避障；超声波避障
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2016）02-
Design of remote control and intelligent collision avoidance of four axis aircraft based on STM32
LI Running，MIAO Yueqin，WU Junling，SUN Guangkuo，TAO Xinyi
（College of Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）
Abstract：Four axis aircraft has the advantages of simple structure， low energy consumption， small volume， which is used in many fields. Flying in the complex environment， while encountering all the obstacles，it is difficult to changeaircraft flight status by manual manipulation aircraft. This paperproposesthe design of no.6 ultrasonic detection module， in which the position of obstacles is determined， and automatic obstacle avoidance is realized. The research has such advantages as strong flexibility and high stability， therefore greatly reduces the risk of the plane crash.
Key words：Quad rotor；intelligent obstacle avoidance；ultrasonic obstacle avoidance
0引言
四轴飞行器因其结构紧凑、飞行方式独特、切具垂直起降式特点，使其在军事和民用多个领域都已延伸拓展了广阔应用前景，同时非常适合在狭小空间内执行任务。而在复杂环境中飞行，并遇到障碍物时，试图通过人为操纵来不断改变飞行器飞行状态、从而避开障碍物的执行实施难度较大，更多情况下则会由于操作不当导致飞行器损毁，由此可知人为操作避障可靠性差、可行性低。基于此，本文提出了一种智能避障设计，旨在显著降低飞行器由于人为操作失误而坠毁的风险。
该设计利用姿态获取技术、PID控制算法、2.4G无线通讯技术和智能避障算法，实现对四轴飞行器的精准控制。系统的整体设计包括飞控部分、遥控部分和智能避障部分。其中，飞控部分采用STM32F407作为主控芯片，而且引入控制板和机架一体设计增强系统稳定性。遥控部分采用摇杆操作输入使操作体验可达现实极佳。控制板和遥控器之间采用2.4G无线通讯模块，保证数据稳定传输。智能避障系统通过6路超声波模块数据，精准计算障碍物位置，实现智能避障。
1四旋翼飞行器的结构原理
四旋翼飞行器的结构一般可分为4个模块：电机模块，微控制器模块，传感器模块以及无线通讯模块，如图1所示。具体地，电机模块由4个旋翼、电机和电机驱动器组成；微控制器模块用来实现与其他模块的数据传输并对其进行实时控制；传感器模块由检测飞行器各种姿态和指定飞行方向的传感器组成，如加速度传感器，陀螺仪传感器等；无线通讯模块则由无线发射、无线接收和遥控器模块组成。
Fig.1 General composition of aircraft structures
四旋翼飞行器的工作方式分为“+”模式和“x”模式两种。“+”模式飞行器的4个旋翼对称分布在飞行控制板的中轴线上；“x”模式飞行器的4个旋翼对称分布在控制板的对角线上。相对于“+”模式，“x”模式的飞行稳定性更高，在狭窄的空间飞行更显其客观优势，所以大部分飞机均是采用了“x”模式。飞行器通过调节4个电机的转速，借此改变旋翼转速而实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器的结构如图2所示，可以实现6种基本运动方式。
传统的四轴飞行器没有避障传感器模块，也没有智能避障算法，所以很容易由于人工操作失误所致，与障碍物发生碰撞，导致飞行器坠落。本研究在传统四轴飞行器的基础之上提出了设计改进，增加避障传感器，同时结合智能避障算法，由此实现了飞机的自动避障，大大降低了坠机的风险。
2总体方案
3硬件设计
四轴飞行器的主要目的是实现遥控与自动避障。处理器选用了STM32F407，该芯片采用ARM Cortex-M4内核，主频高达100MHz，具有14个定时器，144个接口，芯片拥有充分用于本研究设计的执行实施，而且即便对于今后的深度开发也留有足够的拓展空间。不仅如此，考虑到日后的硬件升级和其他功能的发展完善，选择了具有较大负载能力的50CM轴距的碳纤维机架，碳纤维机架具有强度高、质量轻的特点，完全满足本文研究的现实需求。进一步地，综合速度和负载的双重考虑，螺旋桨采用了11寸APC正反浆，为了针对MCU信号实现快速响应，电机驱动选择具有瞬态控制并且表现稳定的30A无刷电子调速器，同时配备了增速更快、转速精准的x2212 kv980无刷电机。此外，电池选取的是航模中常用的3S 11.1V 2200mAh动力锂电池；超声波模块则选用HY-SRF05超声波传感器，该传感器性能稳定，盲区小，高度贴切、符合本文设计。
4软件设计
软件设计思想是，开机初始化通讯模块、传感器模块、避障模块等。随后等待电机解锁信息的传入，计算障碍物位置，设计避障路线，抵达终点。程序设计流程如图4所示。
飞控系统采用6路超声波模块，每个模块检测1个方向，6个方向分别为前、后、左、右、上、下。飞控系统需要不停检测6路模块，当遥控器下达向某一方向前进命令时候，若该方向上没有障碍物，则飞机正常行驶，直至到达目的地前若都没有遇到障碍物，则飞机将一直平稳行驶。当飞机前进方向上发现遇有障碍物时候，则利用6路传感器返回探测值，由此计算前方障碍物形状，并且自动规划设计避障路线，再执行相关指令智能避过障碍物，绕过障碍物之后，将自行回到原来的飞行运动直线上。整个飞行过程则如同前述处理所示，判断选择循环发生，直至飞行器顺利抵达目的地。
5结束语
本文提出了一个简易四轴飞行器遥控与智能防撞设计的研究实现，整个方案分为遥控控制板、飞行控制板、智能防撞系统设计3个部分。通过2.4G无线模块进行通讯；飞控系统采用姿态获取算法，根据反馈控制算法进行电机驱动从而实现飞行控制；飞控板采用一体化设计使得系统简单、紧凑。6路超声波模块同时检测，使得障碍物位置检测精确，自动避障系统设计，避免了普通飞机容易失事的弊端。本文研究最终实现了飞行器的基本遥控与智能防撞的预期功能目的。实践证明，该四轴飞行器飞行稳定，障碍物位置检测精确，避障系统性能稳定，且飞行灵活，因而取得了较好的现实应用效果。
参考文献
[1]常国权，戴国强. 基于STM32的四轴飞行器飞控系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2015，15（2）：29-32.
[2]刘伟超，徐刚，田浩元.基于STM32的四轴航拍飞行器[J].电子技术与软件工程，2015（17）：106.
[3]周建阳，陈家乐，薛斌，等. 基于STM32四轴飞行器的设计[J]. 钦州学院学报，2015，30（2）： 30-33.
[4]陈海生，钟江涛，林俊凯.基于四轴飞行器的 PID 姿态控制系统[J].消费电子， 2014（22）：190.
关键词：四轴飞行器；智能避障；超声波避障
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2016）02-
Design of remote control and intelligent collision avoidance of four axis aircraft based on STM32
LI Running，MIAO Yueqin，WU Junling，SUN Guangkuo，TAO Xinyi
（College of Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）
Abstract：Four axis aircraft has the advantages of simple structure， low energy consumption， small volume， which is used in many fields. Flying in the complex environment， while encountering all the obstacles，it is difficult to changeaircraft flight status by manual manipulation aircraft. This paperproposesthe design of no.6 ultrasonic detection module， in which the position of obstacles is determined， and automatic obstacle avoidance is realized. The research has such advantages as strong flexibility and high stability， therefore greatly reduces the risk of the plane crash.
Key words：Quad rotor；intelligent obstacle avoidance；ultrasonic obstacle avoidance
0引言
四轴飞行器因其结构紧凑、飞行方式独特、切具垂直起降式特点，使其在军事和民用多个领域都已延伸拓展了广阔应用前景，同时非常适合在狭小空间内执行任务。而在复杂环境中飞行，并遇到障碍物时，试图通过人为操纵来不断改变飞行器飞行状态、从而避开障碍物的执行实施难度较大，更多情况下则会由于操作不当导致飞行器损毁，由此可知人为操作避障可靠性差、可行性低。基于此，本文提出了一种智能避障设计，旨在显著降低飞行器由于人为操作失误而坠毁的风险。
该设计利用姿态获取技术、PID控制算法、2.4G无线通讯技术和智能避障算法，实现对四轴飞行器的精准控制。系统的整体设计包括飞控部分、遥控部分和智能避障部分。其中，飞控部分采用STM32F407作为主控芯片，而且引入控制板和机架一体设计增强系统稳定性。遥控部分采用摇杆操作输入使操作体验可达现实极佳。控制板和遥控器之间采用2.4G无线通讯模块，保证数据稳定传输。智能避障系统通过6路超声波模块数据，精准计算障碍物位置，实现智能避障。
1四旋翼飞行器的结构原理
四旋翼飞行器的结构一般可分为4个模块：电机模块，微控制器模块，传感器模块以及无线通讯模块，如图1所示。具体地，电机模块由4个旋翼、电机和电机驱动器组成；微控制器模块用来实现与其他模块的数据传输并对其进行实时控制；传感器模块由检测飞行器各种姿态和指定飞行方向的传感器组成，如加速度传感器，陀螺仪传感器等；无线通讯模块则由无线发射、无线接收和遥控器模块组成。
Fig.1 General composition of aircraft structures
四旋翼飞行器的工作方式分为“+”模式和“x”模式两种。“+”模式飞行器的4个旋翼对称分布在飞行控制板的中轴线上；“x”模式飞行器的4个旋翼对称分布在控制板的对角线上。相对于“+”模式，“x”模式的飞行稳定性更高，在狭窄的空间飞行更显其客观优势，所以大部分飞机均是采用了“x”模式。飞行器通过调节4个电机的转速，借此改变旋翼转速而实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器的结构如图2所示，可以实现6种基本运动方式。
传统的四轴飞行器没有避障传感器模块，也没有智能避障算法，所以很容易由于人工操作失误所致，与障碍物发生碰撞，导致飞行器坠落。本研究在传统四轴飞行器的基础之上提出了设计改进，增加避障传感器，同时结合智能避障算法，由此实现了飞机的自动避障，大大降低了坠机的风险。
2总体方案
3硬件设计
四轴飞行器的主要目的是实现遥控与自动避障。处理器选用了STM32F407，该芯片采用ARM Cortex-M4内核，主频高达100MHz，具有14个定时器，144个接口，芯片拥有充分用于本研究设计的执行实施，而且即便对于今后的深度开发也留有足够的拓展空间。不仅如此，考虑到日后的硬件升级和其他功能的发展完善，选择了具有较大负载能力的50CM轴距的碳纤维机架，碳纤维机架具有强度高、质量轻的特点，完全满足本文研究的现实需求。进一步地，综合速度和负载的双重考虑，螺旋桨采用了11寸APC正反浆，为了针对MCU信号实现快速响应，电机驱动选择具有瞬态控制并且表现稳定的30A无刷电子调速器，同时配备了增速更快、转速精准的x2212 kv980无刷电机。此外，电池选取的是航模中常用的3S 11.1V 2200mAh动力锂电池；超声波模块则选用HY-SRF05超声波传感器，该传感器性能稳定，盲区小，高度贴切、符合本文设计。
4软件设计
软件设计思想是，开机初始化通讯模块、传感器模块、避障模块等。随后等待电机解锁信息的传入，计算障碍物位置，设计避障路线，抵达终点。程序设计流程如图4所示。
飞控系统采用6路超声波模块，每个模块检测1个方向，6个方向分别为前、后、左、右、上、下。飞控系统需要不停检测6路模块，当遥控器下达向某一方向前进命令时候，若该方向上没有障碍物，则飞机正常行驶，直至到达目的地前若都没有遇到障碍物，则飞机将一直平稳行驶。当飞机前进方向上发现遇有障碍物时候，则利用6路传感器返回探测值，由此计算前方障碍物形状，并且自动规划设计避障路线，再执行相关指令智能避过障碍物，绕过障碍物之后，将自行回到原来的飞行运动直线上。整个飞行过程则如同前述处理所示，判断选择循环发生，直至飞行器顺利抵达目的地。
5结束语
本文提出了一个简易四轴飞行器遥控与智能防撞设计的研究实现，整个方案分为遥控控制板、飞行控制板、智能防撞系统设计3个部分。通过2.4G无线模块进行通讯；飞控系统采用姿态获取算法，根据反馈控制算法进行电机驱动从而实现飞行控制；飞控板采用一体化设计使得系统简单、紧凑。6路超声波模块同时检测，使得障碍物位置检测精确，自动避障系统设计，避免了普通飞机容易失事的弊端。本文研究最终实现了飞行器的基本遥控与智能防撞的预期功能目的。实践证明，该四轴飞行器飞行稳定，障碍物位置检测精确，避障系统性能稳定，且飞行灵活，因而取得了较好的现实应用效果。
参考文献
[1]常国权，戴国强. 基于STM32的四轴飞行器飞控系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2015，15（2）：29-32.
[2]刘伟超，徐刚，田浩元.基于STM32的四轴航拍飞行器[J].电子技术与软件工程，2015（17）：106.
[3]周建阳，陈家乐，薛斌，等. 基于STM32四轴飞行器的设计[J]. 钦州学院学报，2015，30（2）： 30-33.
[4]陈海生，钟江涛，林俊凯.基于四轴飞行器的 PID 姿态控制系统[J].消费电子， 2014（22）：190.