基于STM32的四旋翼無人機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究★

周健 ， 王遠(yuǎn)航 ， 黃創(chuàng)綿 楊劍鋒 ， 嚴(yán)拴航 ， 閆攀峰

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610；3.廣東省無人機(jī)可靠性與安全性工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510610；4.廣東省工業(yè)機(jī)器人可靠性工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610；5.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

0 引言

近年來,隨著民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善及規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用,中國無人機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了井噴式發(fā)展時(shí)期[1]。然而,產(chǎn)業(yè)快速擴(kuò)大的同時(shí)也逐漸地暴露出了一些問題,例如:飛行安全性、對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性和黑客控制的信息安全性等。因此,國家相關(guān)部門先后出臺(tái)了系列管理辦法以促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展[2]。由于無人機(jī)的類型、尺寸和飛行剖面種類繁多,因此,發(fā)展這類系統(tǒng)的安全運(yùn)行通用標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)草案較為困難[3-4]。在加強(qiáng)監(jiān)管力度的同時(shí),如何在無人機(jī)有限的載荷下提升無人機(jī)自身的飛行安全水平是無人機(jī)領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵共性問題。

國內(nèi)外對(duì)于無人機(jī)飛行安全的檢測(cè)與評(píng)估主要是針對(duì)無人機(jī)控制系統(tǒng)、故障診斷和續(xù)航能力的評(píng)估,對(duì)于無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估卻未能跟上步伐[5]。而四旋翼無人機(jī)依靠4個(gè)旋翼之間的互相配合來實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的操縱,旋翼之間耦合緊密,冗余度小,因此,四旋翼無人機(jī)上個(gè)別部件的異常往往會(huì)造成無人機(jī)的性能惡化,甚至失控墜毀[6]。因此,在線監(jiān)測(cè)四旋翼無人機(jī)的狀況,對(duì)于促進(jìn)四旋翼無人機(jī)的安全飛行具有重要的意義。

本文所設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則基于STM32F42x系列處理器,通過利用先進(jìn)的傳感器集成,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無人機(jī)的使用環(huán)境、工作狀況和部件狀態(tài)等信息,并將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過射頻信號(hào)傳輸至地面站,地面站提取能夠影響無人機(jī)飛行安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以期最大程度地減少意外故障,從而提升無人機(jī)自身的安全飛行能力。

1 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無人機(jī)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面站構(gòu)成。無人機(jī)上搭載采集板,采集板在實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的飛行控制功能的同時(shí),對(duì)無人機(jī)的飛行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖1 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)

對(duì)于無人機(jī)三軸姿態(tài)角、三軸角速度、三軸線速度、三軸線加速度和氣壓高度等無人機(jī)慣性數(shù)據(jù)的采集,將相關(guān)傳感器內(nèi)置于采集板,通過內(nèi)部總線將數(shù)據(jù)提供給處理器。對(duì)于無人機(jī)動(dòng)力電池電壓、充放電電流、環(huán)境溫濕度、電池溫度和電機(jī)振動(dòng)等反映無人機(jī)部件狀況的狀態(tài)數(shù)據(jù),則根據(jù)無人機(jī)各個(gè)部件的分布情況,將相關(guān)傳感器外置,通過外部總線將數(shù)據(jù)提供給處理器。處理器采集所得的數(shù)據(jù)通過無線射頻的方式進(jìn)行傳輸,在地面上的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收射頻信號(hào)并傳輸給地面站,地面站對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分析、處理和顯示,實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 無人機(jī)采集板的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用的采集板傳感器系統(tǒng)如圖2所示,該系統(tǒng)將與無人機(jī)慣性數(shù)據(jù)采集相關(guān)的傳感器內(nèi)置,不僅在傳感器種類上進(jìn)行了冗余互補(bǔ),對(duì)同一類數(shù)據(jù)也配備了不同的傳感器來采集,通過傳感數(shù)據(jù)的冗余和互補(bǔ)來提高融合濾波的效果。

圖2 無人機(jī)采集板傳感器系統(tǒng)

2.1 處理器

本文使用處理能力較強(qiáng)的STM32F42x系列處理器,該處理器采用了帶有浮點(diǎn)計(jì)算單元 （FPU）的ARM 32位Cortex-M4 CPU,在FLASH中實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)運(yùn)行性能的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器,該處理器主頻為180 MHz,具有DSP指令集,能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)225 DMIPS的計(jì)算性能。

2.2 慣性數(shù)據(jù)的采集

采集板內(nèi)置傳感器需要完成無人機(jī)三軸姿態(tài)角、三軸加速度、三軸線速度和氣壓高度等慣性數(shù)據(jù)的采集,考慮到無人機(jī)機(jī)載設(shè)備要求體積小、功耗低,因此,選用MEMS傳感器來完成上述數(shù)據(jù)的采集。MEMS傳感器采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造,特征尺寸至微米/納米級(jí)。在無人機(jī)應(yīng)用上,MEMS傳感器可以將慣性參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),并進(jìn)行必要的信號(hào)反饋控制、補(bǔ)償、量化和壓縮編碼。但是MEMS慣性器件的導(dǎo)航誤差會(huì)隨著時(shí)間而積累,為了提高精度,本文利用多傳感器冗余互補(bǔ)措施,通過傳感器之間的冗余數(shù)據(jù),增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和觀測(cè)范圍；同時(shí),借助誤差不隨時(shí)間積累的輔助導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息來補(bǔ)償和抑制MEMS傳感器在慣性導(dǎo)航中隨時(shí)間而積累的誤差,進(jìn)而達(dá)到提高整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)精度的目的。

本文基于多傳感器冗余互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)慣性數(shù)據(jù)的精確測(cè)量,使用的傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)。陀螺儀在角速度的測(cè)量上具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),但積分得到的姿態(tài)會(huì)出現(xiàn)累積誤差；而加速度計(jì)可以測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)加速度和重力加速度,因此可以獲得被測(cè)物體的加速度和傾角,并且對(duì)靜態(tài)姿態(tài)角的測(cè)量沒有累計(jì)誤差,但加速度計(jì)無法辨別運(yùn)動(dòng)加速度與重力加速度,所以動(dòng)態(tài)特性差；磁力計(jì)可以測(cè)量地磁偏角,進(jìn)而換算得到被測(cè)物體的位姿,但電子羅盤動(dòng)態(tài)特性不足,并且抗電子干擾能力差,而無人機(jī)上的動(dòng)力電機(jī)等電子設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生電子干擾。因此,這幾種傳感器都有很強(qiáng)的互補(bǔ)特性,通過這幾種傳感器的信息融合處理,可以顯著地提升測(cè)量精度。

2.3 狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集

對(duì)于無人機(jī)動(dòng)力電池電壓、充放電電流、環(huán)境溫濕度、電池溫度和電機(jī)振動(dòng)等狀態(tài)數(shù)據(jù),則依據(jù)無人機(jī)動(dòng)力電池、無刷電機(jī)的位置分布來配置相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。Pixhawk IV傳感器可以同時(shí)檢測(cè)輸入電壓電流,并將動(dòng)力鋰電池輸入電壓轉(zhuǎn)換為采集板所需要的5 V供電。電壓檢測(cè)是在輸入側(cè)并聯(lián)兩個(gè)分壓電阻,AD轉(zhuǎn)換分壓后的電壓,經(jīng)換算得到輸入電壓；電流檢測(cè)則是在母線上串聯(lián)采樣阻值,電阻上的壓降經(jīng)過運(yùn)放放大后達(dá)到能被AD轉(zhuǎn)換器檢測(cè)的幅度,通過AD轉(zhuǎn)換得到的電壓即可換算出母線電流。AD轉(zhuǎn)換得到的電壓電流數(shù)字量,經(jīng)I2C總線傳輸至采集板,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)動(dòng)力電池電壓電流的檢測(cè)。

對(duì)于環(huán)境溫濕度的檢測(cè),本文考慮采用SHT30-DIS傳感器。SHT30-DIS傳感器可將溫濕度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,通過I2C總線傳輸至采集板。溫度測(cè)量采用熱電偶的方法,熱電偶由兩種不同材料的金屬絲組成,兩種材料的一段焊接在一起形成工作端,置于被測(cè)溫度處；另一端為自由端,與測(cè)量儀表相連形成一個(gè)封閉回路。當(dāng)工作端與自由端的溫度不同時(shí),回路中會(huì)出現(xiàn)熱電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過AD采樣即可得到隨溫度變化的電壓值。濕度測(cè)量則依托一種沉積在兩個(gè)導(dǎo)電電極上的聚胺鹽或醋酸纖維聚合物薄膜,薄膜含水量的變化會(huì)改變兩個(gè)電極之間的介電常數(shù),進(jìn)而引起電容值的變化,將濕度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

振動(dòng)傳感器按測(cè)量參量的分類可以分為3類:位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。位移傳感器適用于低頻測(cè)量,速度傳感器適用于高頻測(cè)量,加速度傳感器適用于中高頻測(cè)量。由于加速度傳感器具有生產(chǎn)工藝成熟、頻響范圍寬和動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn),因而在振動(dòng)測(cè)試中應(yīng)用得最廣。另外,使用慣性原理的MEMS加速度傳感器體積小、重量輕,可以方便地應(yīng)用在無人機(jī)上,因此,本文選用MEMS加速度傳感器IC268G來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

首先,由于2.4 G Wi-Fi可以兼顧傳輸距離與傳輸速率,便于無人機(jī)在一定距離下以較大的帶寬傳輸所采集的傳感數(shù)據(jù)；其次,由于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最終還需傳送到地面站上,而對(duì)于地面站而言,若可以直接接入標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi而無需增加新網(wǎng)關(guān)的話,會(huì)使得整體的方案更加簡單可靠；第三,2.4 G Wi-Fi模塊也在無人機(jī)的載荷范圍內(nèi)。綜合上述原因,本文最終采用了2.4 G Wi-Fi射頻傳輸來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)傳感數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.1 射頻硬件

受機(jī)載處理器性能的限制,機(jī)載采集板無法直接驅(qū)動(dòng)MAC層的Wi-Fi芯片,只能使用自身帶有的處理器、將物理層和MAC層都封裝好的Wi-Fi模塊,采集卡上的控制器通過發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊的配置和數(shù)據(jù)傳輸。因此,模塊所使用的總線接口必須具備高速傳輸能力,才能保證較大的帶寬。嵌入式控制器間常用的底層通信總線有SPI、I2C和UART,這3種總線的簡單對(duì)比如表1所示。

由表1中可以看出,SPI總線是一種全雙工的高速總線,可以保證采集卡控制器和Wi-Fi模塊之間快速地交換數(shù)據(jù)。因此,采集卡上選用了具有SPI接口的RAK421 Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)載射頻通信。該模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

表1 SPI、I2C和UART總線對(duì)比

圖3 RAK421 Wi-Fi模塊系統(tǒng)框圖

為了進(jìn)一步地增加射頻模塊的工作范圍,本文考慮采用功率放大模塊XQ-02A對(duì)2.4 GHz射頻信號(hào)進(jìn)行放大處理。如圖4所示,XQ-02A模塊可自動(dòng)地切換收發(fā)狀態(tài),在接收到地面站的指令時(shí),將數(shù)據(jù)傳給Wi-Fi模塊,處理器通過SPI總線接收到指令信息。當(dāng)處理器需要將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),則將射頻信號(hào)放大發(fā)回地面。

圖4 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 通訊協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)較為可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸,本文基于傳輸控制協(xié)議 （TCP:Transmission Control Protocol）進(jìn)行無人機(jī)傳感數(shù)據(jù)的傳輸,即通過交互TCP報(bào)文實(shí)現(xiàn)無人機(jī)采集卡與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸。TCP作為通信協(xié)議,是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議,在簡化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI模型中,TCP完成第四層傳輸層指定的功能。TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘缦?

1）建立TCP連接,協(xié)議規(guī)定使用3次握手協(xié)議建立連接,這樣可以防止產(chǎn)生錯(cuò)誤的連接；

2）主機(jī)與客戶端根據(jù)IP地址和端口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換；

3）終止TCP連接,協(xié)議規(guī)定使用4次握手協(xié)議來終止TCP連接。

TCP協(xié)議只定義了報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn),但報(bào)文所攜帶的內(nèi)容需由應(yīng)用程序自行定義和解析。因此,本文需要定義傳感數(shù)據(jù)的報(bào)文格式,且采集卡和地面站使用相同的報(bào)文格式進(jìn)行編碼和解析。報(bào)文有兩種基本的數(shù)據(jù)格式:ASCII和二進(jìn)制,ASCII報(bào)文易以理解,并且可使用已有的庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)分析處理功能；二進(jìn)制報(bào)文則結(jié)構(gòu)緊湊,能夠提高帶寬利用率。為了充分地利用傳輸帶寬,本文采用了二進(jìn)制報(bào)文。

因此,整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。無人機(jī)上各傳感器將目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),處理器采集電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的狀態(tài)量。主控制器采集到狀態(tài)量后,首先,進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波,得到濾波后的無人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)；然后,按照定義好的報(bào)文格式編碼成數(shù)據(jù)報(bào)文,進(jìn)而封裝成TCP報(bào)文,通過2.4 GHz射頻信號(hào)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去,地面站接收到射頻信號(hào)數(shù)據(jù)后,從TCP報(bào)文中提取數(shù)據(jù)報(bào)文,并按照定義好的格式進(jìn)行解碼,得到其中攜帶的無人機(jī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)。

圖5 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

4 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

本文基于上述無人機(jī)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)樣機(jī),如圖6 a所示,無人機(jī)樣機(jī)基于2.4 GHz射頻信號(hào)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸,利用TCP協(xié)議傳輸傳感器數(shù)據(jù)報(bào)文。無人機(jī)樣機(jī)在TCP服務(wù)中作為主機(jī),因此,地面站軟件以TCP客戶端的方式連接無人機(jī),接收無人機(jī)發(fā)送的TCP報(bào)文,按照自定義的數(shù)據(jù)格式解析報(bào)文,解析得到的傳感器數(shù)據(jù)一方面顯示在軟件界面上,一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以供后續(xù)分析。地面站軟件如圖6 b所示,基于Qt進(jìn)行開發(fā),Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架,具有較為直觀的應(yīng)用程序編程接口。作為面向?qū)ο蟮目蚣?用戶界面基于元對(duì)象編譯器 （Meta Object Complier）生成擴(kuò)展,這使得在Qt上開發(fā)GUI圖形界面程序極為便捷。

無人機(jī)以100 Hz的頻率將采集到的無人機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面站,無人機(jī)在懸停狀況下,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的偏航數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7中可以發(fā)現(xiàn),樣機(jī)在51、56 s附近,俯仰角、橫滾角和偏航角均發(fā)生了較大的變化,但是無人機(jī)都在一段時(shí)間后將姿態(tài)調(diào)整為正常狀態(tài)。因此,無人機(jī)雖然正常懸停,但是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻檢測(cè)到了其中的異常,這將為無人機(jī)安全性的提升提供重要的依據(jù)。

圖6 無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)

圖7 無人機(jī)偏航數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

四旋翼無人狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與樣機(jī)開發(fā)為四旋翼無人機(jī)的飛行安全性的提升邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。本文以小型四旋翼無人機(jī)為研究對(duì)象,在四旋翼無人機(jī)有限的載荷下利用STM32F42x處理器配合多種傳感器實(shí)時(shí)采集無人機(jī)的使用環(huán)境、工作狀況和部件狀態(tài)等信息,基于2.4 GHz射頻信號(hào)將采集到的大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。應(yīng)用實(shí)例表明,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,能夠有效地監(jiān)測(cè)到四旋翼無人機(jī)飛行時(shí)的異常狀態(tài)。

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