基于stm32的探空火箭航電設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)

王碩

摘 要 本文主要論述了小型探空火箭的航電設(shè)備的設(shè)計(jì)。介紹了一種基于stm32單片機(jī)的模塊化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要完成探空火箭在飛行過程中的數(shù)據(jù)記錄與測量，并且完成其他所需功能的開發(fā)，利用模塊化思想實(shí)現(xiàn)可以按需攜帶模塊實(shí)現(xiàn)不同功能。

關(guān)鍵詞 stm32 探空火箭 模塊化

由于軍用火箭制造成本高昂，我校航天學(xué)院和其它與火箭技術(shù)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間一直缺乏火箭工程技術(shù)方面的實(shí)踐鍛煉。而工程實(shí)踐對(duì)學(xué)生切實(shí)領(lǐng)會(huì)課堂所學(xué)，鍛煉基本的機(jī)械加工和電器制作技能，培養(yǎng)良好的工程素養(yǎng)和工程設(shè)計(jì)靈感至關(guān)重要。中小型探空火箭由于不采用昂貴的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)及制造成本低廉，系統(tǒng)復(fù)雜度低，但探空火箭其設(shè)計(jì)規(guī)律與大型運(yùn)載火箭系統(tǒng)和軍用火箭系統(tǒng)基本相同。親自參與設(shè)計(jì)和制作探空火箭是高校火箭技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐鍛煉的有效手段。

該項(xiàng)目以此為背景，意在以已經(jīng)成功的無控火箭平臺(tái)為基礎(chǔ)，加入可選多功能航電系統(tǒng)，以滿足不同任務(wù)作業(yè)之需要，同時(shí)也從體積和成本等方面進(jìn)行考慮，減小體積實(shí)現(xiàn)整套產(chǎn)品的集合，并且降低整套航電設(shè)備的成本，為后期實(shí)現(xiàn)可控火箭的航電設(shè)備打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

國內(nèi)很多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了以本科生為主或者有本科生參與的小型火箭設(shè)計(jì)與研制工作。西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院在2015年的暑假開展了與德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)合作的火箭制作交流活動(dòng)，參與此次活動(dòng)的大部分是大三、大四的本科生以及幾名研究生（其中該項(xiàng)目組的三名成員參加了這次活動(dòng)），自制作發(fā)動(dòng)機(jī)（包括殼體和燃料）、火箭箭體以及利用3D打印技術(shù)打印箭翼和頭錐，經(jīng)過5天的努力，航天學(xué)院的30多名學(xué)生共制作了5枚小型探空火箭并成功發(fā)射。

除此之外，北航和國防科技大學(xué)也開展了小型探空火箭的試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，北航早在2006年就已經(jīng)發(fā)射了第一枚由本科生設(shè)計(jì)的小火箭，之后又發(fā)射了一系列由學(xué)生設(shè)計(jì)的不同功能的小型火箭。國防科技大學(xué)依托于湖南省和學(xué)校本科學(xué)員創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)校研究生創(chuàng)新實(shí)踐基地等條件，逐步形成了一套完整的小型火箭實(shí)踐流程和體系。

引導(dǎo)和支持在校學(xué)生設(shè)計(jì)和制作小型探空火箭，是西方發(fā)達(dá)國家航空航天類高校長期以來一直堅(jiān)持的工作。歐美航空航天類大學(xué)多設(shè)有包括探空火箭技術(shù)社團(tuán)在內(nèi)的大量專業(yè)學(xué)生團(tuán)體，且歷史悠久，技術(shù)水平甚至接近正規(guī)科研機(jī)構(gòu)，為該國航空航天創(chuàng)新人才的培養(yǎng)做出了巨大貢獻(xiàn)。以德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)ERIG火箭協(xié)會(huì)為例，該協(xié)會(huì)是德國著名火箭技術(shù)社團(tuán)，協(xié)會(huì)成員有該校學(xué)生和教職工，有德國宇航院和大眾汽車公司的資深工程師，也有來自工廠的熟練技術(shù)工人。布倫瑞克工業(yè)大學(xué)、德國宇航院和歐洲工業(yè)企業(yè)對(duì)該協(xié)會(huì)提供了大量贊助。ERIG協(xié)會(huì)在探空火箭設(shè)計(jì)和制作方面擁有較高的水準(zhǔn)，尤其在固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)和碳纖維箭身制造技術(shù)已達(dá)到專業(yè)水平。

基于無控火箭制作成功的經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目擬通過stm32微控制器作為數(shù)據(jù)處理傳送核心，串接多種航電設(shè)備，使之具備數(shù)據(jù)校準(zhǔn)清零、飛行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、高空拍攝、傘降回收等功能，并能夠按照任務(wù)不同選擇相應(yīng)的功能模塊。航電模塊擬通過購買成品完成，需要項(xiàng)目組自行完成電路搭接以及各模塊間功能程序的編寫。詳細(xì)研究內(nèi)容如下列出：

（1）基于之前的制作經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)在發(fā)射前需要對(duì)航電設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)清零，而且方式非常麻煩，誤差很大，我們計(jì)劃通過預(yù)留好接口實(shí)現(xiàn)在發(fā)射前可以方便進(jìn)行校準(zhǔn)。

（2）利用慣導(dǎo)組件和GPS組合導(dǎo)航的方式進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)的采集

（3）通過stm32單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)保存到SD卡中，考慮到以后的發(fā)展，需要記錄的數(shù)據(jù)會(huì)很大，所以我們直接選擇了SD卡作為儲(chǔ)存元件。

（4）降落傘開傘方案選擇延時(shí)開傘方案，從火箭起飛開始計(jì)時(shí)，定時(shí)完成后點(diǎn)燃開傘發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)射之前通過仿真取得開傘的最佳時(shí)間。

（5）功能任務(wù)模塊有通過攝像機(jī)記錄飛行過程和利用PM2.5探測器實(shí)現(xiàn)高空霧霾監(jiān)測，后續(xù)還會(huì)增加其他功能模塊。

（6）通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整套航電裝置的包裝，通過3D打印技術(shù)打印產(chǎn)品外殼，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備到箭體的方便安裝拆卸。

該項(xiàng)目的系統(tǒng)組成圖5如下：

項(xiàng)目的研究領(lǐng)域?yàn)橛布娐反罱右约跋鄳?yīng)程序編寫。以stm32微控制器作為數(shù)據(jù)處理及模塊控制中心，通過連接多種航電設(shè)備，使之具備數(shù)據(jù)校準(zhǔn)清零、飛行數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、高空拍攝、傘降回收、環(huán)境監(jiān)測等功能，能夠根據(jù)任務(wù)的不同選擇搭載不同的功能模塊。航電模塊擬通過購買成品完成，需要項(xiàng)目組自行完成電路搭接以及各模塊間功能程序的編寫，具體如下：

（1）利用慣導(dǎo)組件和GPS模塊測量火箭在飛行過程中的飛行數(shù)據(jù)，并通過stm32微控制器將數(shù)據(jù)保存到SD卡中。（已基本實(shí)現(xiàn)）

（2）開傘控制方案采用定時(shí)控制，當(dāng)定時(shí)程序結(jié)束后，微控制器的某個(gè)IO引腳輸出點(diǎn)火信號(hào)，將開傘發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)燃。

（3）模塊化設(shè)計(jì)：為了適應(yīng)各種任務(wù)需求，提高航電設(shè)備的可移植性，通過給其配備不同的載荷從而適應(yīng)不同的任務(wù)需求，比如照相機(jī)、PM2.5測量儀等，并在箭體上設(shè)置開關(guān)，便于進(jìn)行功能選擇。