论文部分内容阅读
摘 要： 基于STM32的无人机搭载扫雷系统，实现多功能扫雷作业。无人机凭借灵活，稳定的优势，可穿梭在各种危险，复杂的环境，利用STM32进行最优控制，满足无人机的各种飞行要求，并实现飞行最优化设计。扫雷系统采用LDC1000传感器，探测地雷方位与位置，同时可夹持机械臂操作自身携带微型爆炸物，待飞入安全地点，引爆地雷，实现多功能扫雷。整机是一个可实时传输数据，最优化飞行，具备探测地雷及排雷的多功能扫雷无人机。
关键词： STM32；无人机；扫雷；多功能
沈阳理工大学大学生创新创业训练计划项目 项目编号：201710144011
1 引言
在世界上的许多战乱国家，到处都埋藏着未爆炸的各种弹药和地雷。甚至在许多国家和地区还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此，可以说扫雷机器人的需求量是很大的。扫雷作业环境不同，可将扫雷机器人分陆用和海用两类。就陆用机器人来讲，虽然陆地机器人可以减少人员伤亡，但是其自身重量是有可能踩到地雷，并导致车体炸毁。本款设计的无人机排雷装置可大大减少自身触碰地雷导致自毁概率，使排雷更加简单快捷。
2 项目概述
本款多功能扫雷无人机主要功能包括：可手控飞行飞进雷区，进入雷区后开启自动飞行，并打开金属探测器，进行地雷探测，定位到地雷后，悬停地雷上方，打开超声波探测器，测量距离地雷高度，降落标准高度，伸展机械臂，轻轻释放炸药于地雷上，释放后折叠机械臂回原位置，利用GPS定位记下地雷位置，返回高空后对地雷位置进行拍照，拍照后进行快速返回模式，摄像头全程开启，实时返回图像。
2.1基于STM32飞行器装置
无人机是一个典型的非线性、多通道耦合、多输入多输出的复杂系统。满足不同飞行任务的需要就对飞行控制系统提出了较高的要求，因此飞行控制系统性能的优劣决定了无人机能否满足需要并且能否成功投入使用。
飞行控制系统是以飞行控制计算机为核心，集成伺服舵机、机载传感器、配电以及地面测控等各单元，共同形成一个资源统一调度分配，各部分相互协同运作的数字控制系统。飞行控制系统以微机械传感器，光流传感器，气压计和GPS 模块等为基础，以 STM32F103微控制器为核心飞控计算机能够满足无人机飞行各状态测量、控制算法解算等任务的需要，同时为了满足小型化，将飞控计算机、数据采集系统、传感器、电源模块等设计在一块主控电路板上，大大减小了飞控系统占用的空间。
无人机飞行控制系统的四个基本要求如下：（1）姿态航向保持控制：为了保证无人机在其飞行包线内可控，可通过在无人机俯仰、横滚、航向三轴方向分别加入姿态闭环控制及角速率阻尼，以此改善其阻尼特性及稳定性。（2）高度控制：通过对其高度闭环控制，可使无人机具有保持高度控制的能力。（3）自主飞行控制：预先设定或实时给定的飞行任务航迹可根据导航系统提供的位置信息、速度信息等导航信息来完成飞行。（4）应急控制：在研制初期过程中，控制系统还不够完善，可能会出现无人机失去控制的情况，因次需要切换进入手控模式或紧急停止进行应急控制。
2.2金属检测装置
金属检测装置采用了电磁感应原理。利用传感器对地雷表面的金属进行探测，并实时数传，判断地雷位置。
法拉第定律和愣次定律是电磁感应原理的核心。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中产生感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗掉一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属物体的电涡流效应。涡流是金属物体的距离、大小、成分的函数表达。所以检测传感器线圈的等效阻抗不但可以间接地检测金属物体的远近，还可以感知金属物体的有无。
该探测器原理可用于对行李、邮件、包裹及人体等夹带的各种伤害性金属物品如枪械、武器部件、刀具、弹药和金属包装的炸药等的检测，所以以此来检测地雷具有可实施性。
2.3机械排雷装置
根据机械臂系统的控制要求，整体采用单 CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的PWM波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。首先利用超声波传感器测量飞行器与地面距离，然后根据此距离设计出合适的机械动作将爆炸物放在地雷上，最后收回机械臂。机械臂作为排雷装置的一个重要组成部分，不仅起到支撑排雷爆炸物、手爪和其他关节的作用，而且还可以驱动手爪抓取排雷爆炸物，再根据事先预定的坐标将排雷爆炸物搬运到指定位置。整个排雷系统的总质量比较大，受力也比较复杂，其运动部件的质量直接影响到机械臂的刚度和强度。
所以，在进行手臂的设计时，一般应注意下述三点要求：（1）刚度要大。为避免机械臂在运动过程中发生较大的形变，需合理选择手臂的截面形状。（2）导向性要好。为了避免机械臂在运动过程中发生不必要的相对运动，臂杆最好设计成方形或是花键等形式。（3）偏重力矩要小。要尽可能减小机械臂运动部分的质量。
3 项目关键技术
3.1飞控的基本原理及相关技术
无人机飞控系统采用各传感器传回的数据计算当前姿态、位置以及运动参数，然后经过导航和控制算法计算出控制量，再将控制信号发送给机载执行机构改变飞机当前的姿态、空速、位置，从而保证轨迹的稳定和准确。
无人机飞控系统是典型的基于传感器数据反馈的闭环控制系统。通过各传感器获得三轴角速度，三轴加速度以及磁场强度计算姿态角数据；通过气压计，GPS和数字罗盘获得位置和航向数据。当无人机的姿态，空速和位置信息偏离指令值时，飞行控制器根据PID控制算法输出相应的控制量。执行机构根据这些控制量做出相应的偏转动作，使无人机按照预先设定的航点信息准确飞行。根据无人机的特点，飞行控制器应设计为：内回路与外回路控制，即航迹外回路计算出的姿态控制量作为姿态内回路的指令输入值，二者构成稳定回路。
3.2 金属探测装置相关技术
根据电磁感应的原理，应用世界首款电感到数字的转换器LDC1000 实现对地雷表现金属的检测。当地雷位于由LDC1000 产生的电磁场中时，地雷表面金属内部能感生涡电流，涡电流又会产生新磁场，进而影响原来的磁场，LDC1000 通过SPI 接口以数字量输出与这一变化相关的物理量，MCU对这些数字量进行识别与处理，并由MCU控制电机带动LDC1000 在指定区域自行运动来对地雷的检测与定位，并以声光信号给予提示。
4 总结
本款扫雷无人机在飞行方面具有较高的可靠性，较好的可维护性，以及一定的负载安装空间，便于飞控、电池等设备的安装，并且还有一定的续航能力，提高外场飞行试验效率。在机械排雷控制方面，控制系统微型化、轻型化和模塊化，多功能扫雷无人机系统具有实时性，可靠性，维护方便。
参考文献
[1]四轴飞行器姿态控制系统设计[J]. 刘峰，吕强，王国胜，王东来. 计算机测量与控制. 2011年03期.
[2]四轴飞行器控制系统设计[J]. 许震，毛丽民，刘同连，李增增，施婉. 常熟理工学院学报. 2013年02期.
[3]基于单片机的金属探测定位器设计[J]. 陶醉，陈希平，王琳.电气传动自动化.2015（05）.
[4]基于LDC1000的金属物体探测定位系统设计[J]. 夏小懂，李莉莉，姚齐国，叶继英.中国水运（下半月）.2015（09）.
关键词： STM32；无人机；扫雷；多功能
沈阳理工大学大学生创新创业训练计划项目 项目编号：201710144011
1 引言
在世界上的许多战乱国家，到处都埋藏着未爆炸的各种弹药和地雷。甚至在许多国家和地区还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此，可以说扫雷机器人的需求量是很大的。扫雷作业环境不同，可将扫雷机器人分陆用和海用两类。就陆用机器人来讲，虽然陆地机器人可以减少人员伤亡，但是其自身重量是有可能踩到地雷，并导致车体炸毁。本款设计的无人机排雷装置可大大减少自身触碰地雷导致自毁概率，使排雷更加简单快捷。
2 项目概述
本款多功能扫雷无人机主要功能包括：可手控飞行飞进雷区，进入雷区后开启自动飞行，并打开金属探测器，进行地雷探测，定位到地雷后，悬停地雷上方，打开超声波探测器，测量距离地雷高度，降落标准高度，伸展机械臂，轻轻释放炸药于地雷上，释放后折叠机械臂回原位置，利用GPS定位记下地雷位置，返回高空后对地雷位置进行拍照，拍照后进行快速返回模式，摄像头全程开启，实时返回图像。
2.1基于STM32飞行器装置
无人机是一个典型的非线性、多通道耦合、多输入多输出的复杂系统。满足不同飞行任务的需要就对飞行控制系统提出了较高的要求，因此飞行控制系统性能的优劣决定了无人机能否满足需要并且能否成功投入使用。
飞行控制系统是以飞行控制计算机为核心，集成伺服舵机、机载传感器、配电以及地面测控等各单元，共同形成一个资源统一调度分配，各部分相互协同运作的数字控制系统。飞行控制系统以微机械传感器，光流传感器，气压计和GPS 模块等为基础，以 STM32F103微控制器为核心飞控计算机能够满足无人机飞行各状态测量、控制算法解算等任务的需要，同时为了满足小型化，将飞控计算机、数据采集系统、传感器、电源模块等设计在一块主控电路板上，大大减小了飞控系统占用的空间。
无人机飞行控制系统的四个基本要求如下：（1）姿态航向保持控制：为了保证无人机在其飞行包线内可控，可通过在无人机俯仰、横滚、航向三轴方向分别加入姿态闭环控制及角速率阻尼，以此改善其阻尼特性及稳定性。（2）高度控制：通过对其高度闭环控制，可使无人机具有保持高度控制的能力。（3）自主飞行控制：预先设定或实时给定的飞行任务航迹可根据导航系统提供的位置信息、速度信息等导航信息来完成飞行。（4）应急控制：在研制初期过程中，控制系统还不够完善，可能会出现无人机失去控制的情况，因次需要切换进入手控模式或紧急停止进行应急控制。
2.2金属检测装置
金属检测装置采用了电磁感应原理。利用传感器对地雷表面的金属进行探测，并实时数传，判断地雷位置。
法拉第定律和愣次定律是电磁感应原理的核心。根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中产生感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗掉一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化，线圈阻抗的变化完全取决于被测金属物体的电涡流效应。涡流是金属物体的距离、大小、成分的函数表达。所以检测传感器线圈的等效阻抗不但可以间接地检测金属物体的远近，还可以感知金属物体的有无。
该探测器原理可用于对行李、邮件、包裹及人体等夹带的各种伤害性金属物品如枪械、武器部件、刀具、弹药和金属包装的炸药等的检测，所以以此来检测地雷具有可实施性。
2.3机械排雷装置
根据机械臂系统的控制要求，整体采用单 CPU 的系统控制方案，即通过控制主控制器输出的PWM波的占空比实现对舵机转动的控制，进而实现各个关节的位置控制。首先利用超声波传感器测量飞行器与地面距离，然后根据此距离设计出合适的机械动作将爆炸物放在地雷上，最后收回机械臂。机械臂作为排雷装置的一个重要组成部分，不仅起到支撑排雷爆炸物、手爪和其他关节的作用，而且还可以驱动手爪抓取排雷爆炸物，再根据事先预定的坐标将排雷爆炸物搬运到指定位置。整个排雷系统的总质量比较大，受力也比较复杂，其运动部件的质量直接影响到机械臂的刚度和强度。
所以，在进行手臂的设计时，一般应注意下述三点要求：（1）刚度要大。为避免机械臂在运动过程中发生较大的形变，需合理选择手臂的截面形状。（2）导向性要好。为了避免机械臂在运动过程中发生不必要的相对运动，臂杆最好设计成方形或是花键等形式。（3）偏重力矩要小。要尽可能减小机械臂运动部分的质量。
3 项目关键技术
3.1飞控的基本原理及相关技术
无人机飞控系统采用各传感器传回的数据计算当前姿态、位置以及运动参数，然后经过导航和控制算法计算出控制量，再将控制信号发送给机载执行机构改变飞机当前的姿态、空速、位置，从而保证轨迹的稳定和准确。
无人机飞控系统是典型的基于传感器数据反馈的闭环控制系统。通过各传感器获得三轴角速度，三轴加速度以及磁场强度计算姿态角数据；通过气压计，GPS和数字罗盘获得位置和航向数据。当无人机的姿态，空速和位置信息偏离指令值时，飞行控制器根据PID控制算法输出相应的控制量。执行机构根据这些控制量做出相应的偏转动作，使无人机按照预先设定的航点信息准确飞行。根据无人机的特点，飞行控制器应设计为：内回路与外回路控制，即航迹外回路计算出的姿态控制量作为姿态内回路的指令输入值，二者构成稳定回路。
3.2 金属探测装置相关技术
根据电磁感应的原理，应用世界首款电感到数字的转换器LDC1000 实现对地雷表现金属的检测。当地雷位于由LDC1000 产生的电磁场中时，地雷表面金属内部能感生涡电流，涡电流又会产生新磁场，进而影响原来的磁场，LDC1000 通过SPI 接口以数字量输出与这一变化相关的物理量，MCU对这些数字量进行识别与处理，并由MCU控制电机带动LDC1000 在指定区域自行运动来对地雷的检测与定位，并以声光信号给予提示。
4 总结
本款扫雷无人机在飞行方面具有较高的可靠性，较好的可维护性，以及一定的负载安装空间，便于飞控、电池等设备的安装，并且还有一定的续航能力，提高外场飞行试验效率。在机械排雷控制方面，控制系统微型化、轻型化和模塊化，多功能扫雷无人机系统具有实时性，可靠性，维护方便。
参考文献
[1]四轴飞行器姿态控制系统设计[J]. 刘峰，吕强，王国胜，王东来. 计算机测量与控制. 2011年03期.
[2]四轴飞行器控制系统设计[J]. 许震，毛丽民，刘同连，李增增，施婉. 常熟理工学院学报. 2013年02期.
[3]基于单片机的金属探测定位器设计[J]. 陶醉，陈希平，王琳.电气传动自动化.2015（05）.
[4]基于LDC1000的金属物体探测定位系统设计[J]. 夏小懂，李莉莉，姚齐国，叶继英.中国水运（下半月）.2015（09）.