基于單片機(jī)的精準(zhǔn)空投控制系統(tǒng)研究

黃 敏 張海濤 張新偉

（安徽科技學(xué)院，鳳陽 233100）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段的降落傘導(dǎo)航與速度控制即是將單片機(jī)與GPS技術(shù)運(yùn)用到降落傘的控制當(dāng)中，從而完善對(duì)降落傘的實(shí)時(shí)控制，是整個(gè)降落傘裝置系統(tǒng)的核心部分。同時(shí)，可以利用GPS的測(cè)速與定位的功能測(cè)定降落傘的飛行速度與坐標(biāo)，解決了傳統(tǒng)的激光測(cè)速設(shè)備采樣率低、精度低、操作不便等缺點(diǎn)。運(yùn)用單片機(jī)并且結(jié)合現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)能夠構(gòu)建較為穩(wěn)定的系統(tǒng)，保證空投安全同時(shí)也提高了著陸精度，降低了其工作成本。

1.1 空投裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

民用范圍內(nèi)最常見的是降落傘運(yùn)動(dòng)和使用降落傘進(jìn)行空中觀光和航拍等。降落傘是建立在翼傘理論的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的一種懸掛滑翔飛行設(shè)備。普通降落傘一般通過頂風(fēng)從山上跑下或在運(yùn)輸機(jī)上拋下，其下降速度低于1.5m/s，而向前的飛行速度可依靠風(fēng)速最高達(dá)到16.7m/s，可完成較長時(shí)間的長途飛行。當(dāng)今有很多人投入降落傘活動(dòng)當(dāng)中，在眾多航空運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之中，它成為了普及范圍最廣，參加人數(shù)最多的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行空中廣告和航拍的降落傘是在降落傘的后面加裝動(dòng)力推進(jìn)器等設(shè)備，從而使它成為有動(dòng)力源的飛行器，很大程度上延長了飛行時(shí)間，減小了對(duì)起降過程的限制。

在軍事領(lǐng)域，翼傘不僅能完成戰(zhàn)場(chǎng)上人員和物資的準(zhǔn)確空投，還能實(shí)施戰(zhàn)機(jī)彈射座椅的安全著陸和進(jìn)行無人偵查等任務(wù)。目前我國也在研究用翼傘來精確回收小型飛行器。

空投之前，首先輸入空投坐標(biāo)點(diǎn)。在空投范圍內(nèi)開始空投。當(dāng)降落傘開始下降時(shí)，傘面發(fā)生變形，使它飛向相應(yīng)的方向，同時(shí)GPS開始接受坐標(biāo)和速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。通過單片機(jī)上的程序控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角，修正下降時(shí)滑翔路徑。通過控制螺旋槳的速度與設(shè)備轉(zhuǎn)角控制降落傘，達(dá)到準(zhǔn)確著陸的目的。為了能夠了解螺旋槳的運(yùn)動(dòng)，需考慮它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。螺旋槳即可以向前又能夠旋轉(zhuǎn)，因而，槳葉的每一部分都可以向前和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。迎角即空氣沖擊槳葉時(shí)所需的角度。這個(gè)角度使螺旋槳在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的氣動(dòng)壓力比大氣壓力高，從而產(chǎn)生拉力。

槳葉剖面工作的原理和飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理大致相同。當(dāng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流流過凸起的槳葉背面，基于伯努利的原理可知：當(dāng)流體流速增大，靜壓力就會(huì)減小，產(chǎn)生向前的升力，即飛機(jī)向前飛行的拉力。當(dāng)空氣密度增加時(shí)，螺旋槳扇后方向的空氣質(zhì)量也會(huì)增加，螺旋槳產(chǎn)生的拉力越大；相反，當(dāng)空氣密度越低，螺旋槳產(chǎn)生的拉力減小。因而，在高溫或高空大氣中飛行時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的拉力要比在低溫或低空大氣中飛行時(shí)小。

當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉會(huì)源源不斷的把空氣向后推，在槳葉上產(chǎn)生向前的推進(jìn)力。例如取某一小段槳葉來看，恰像一小段的機(jī)翼，旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度合成了相對(duì)氣流的速度。拉力由槳葉上的氣動(dòng)力在前進(jìn)方向上的分力形成，阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)力矩由在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量構(gòu)成，與發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩相互抵消[3]。槳葉安裝角是槳葉剖面弦和旋轉(zhuǎn)平面的夾角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引推進(jìn)的距離稱為槳距。實(shí)際槳葉上每一剖面的前進(jìn)速度相同。圓周速度則與該剖面轉(zhuǎn)軸的距離成正比，所以各剖面相對(duì)旋轉(zhuǎn)平面和氣流的夾角隨與轉(zhuǎn)軸間距離的增大而逐漸減低。為了能夠使槳葉每個(gè)剖面和相對(duì)氣流都保持在有利的迎角范圍內(nèi)，各剖面的安裝角也隨著與轉(zhuǎn)軸的距離增大而減低。

螺旋槳裝置主要由槳葉、傳動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)裝置以及一些附件組成。傳動(dòng)裝置用于帶動(dòng)槳葉裝置，主要由電機(jī)、聯(lián)動(dòng)軸和傳動(dòng)軸組成。旋轉(zhuǎn)裝置由步進(jìn)電機(jī)、軸承及軸承座、齒輪和導(dǎo)向柱子組成。

CIE 1931XYZ表色系統(tǒng)也是CIE標(biāo)準(zhǔn)表色系統(tǒng)之一，是以加法混色原理為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。該表色系統(tǒng)是將紅、綠、藍(lán)三原色按不同比例相配后，可產(chǎn)生所需的所有顏色；而X、Y、Z曲線則能分別與能量光譜刺激值所需要的紅、綠、藍(lán)三原色的量相匹配。其中Z值表示顏色的明度，X、Y表示彩色度，色度圖的中心為無彩色，越靠近邊緣表示彩度越高。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)航主機(jī)、輸入設(shè)備、GPS天線等是降落傘速度和控制系統(tǒng)重要組成部分。降落傘導(dǎo)航控制系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)的核心是導(dǎo)航主機(jī)，包括MCU單元、GPS接收機(jī)、I/0單元、電源變換單元等部分，它的主要功能：

（1）接收到GPS信號(hào)并且進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位置等信息；

（2）實(shí)現(xiàn)航偏角計(jì)算，反推當(dāng)前點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)距離和方位角；

（3）將結(jié)果輸出到單片機(jī)，控制降落傘的飛行。

圖1 降落傘導(dǎo)航控制與速度測(cè)試系統(tǒng)框圖

起飛前，將目標(biāo)點(diǎn)位置輸入到ROM中。降落傘投放后，系統(tǒng)會(huì)立刻連接電源，GPS進(jìn)行定位并且存儲(chǔ)速度信息用于后期處理。導(dǎo)航主機(jī)與GPS相連，從而得到當(dāng)前位置的經(jīng)緯度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等相關(guān)位置信息，并與ROM的經(jīng)緯度比較，推算距離和方位角，結(jié)合降落傘的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最終計(jì)算出偏航角。把偏航角的信息輸出到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制器進(jìn)行處理，從而改變降落傘的速度，調(diào)整降落傘姿態(tài)，完成實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制。

2 精準(zhǔn)空投自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)的全稱是單片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)功耗低、體積小、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)、開發(fā)使用簡便，自20世紀(jì)70年代問世以來得到了非常廣泛的使用。微型計(jì)算機(jī)發(fā)展逐漸形成兩大方面，一是PC機(jī)，主要用于處理高速數(shù)據(jù)，兼顧控制等功能。二是單片機(jī)，主要用于控制領(lǐng)域。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文選擇AT89C51單片機(jī)作為控制對(duì)象的核心[4]。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）GPS模塊的選擇

選擇GPS模塊，主要考慮該模塊支持何種通訊協(xié)議、控制接口如何以及大小重量、耐高溫耗電情況等等。目前，大部分GPS模塊采用C/A碼，支持16通道，定位更新速率高達(dá)4Hz。本文選擇LEA-5H作為本設(shè)計(jì)的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊。通過外接的有源天線將接收來的高頻信號(hào)送到GPS模塊的RF端口，經(jīng)過運(yùn)算處理后將定位數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機(jī)[5]。

（2）單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

89C51單片機(jī)功能強(qiáng)大，自帶4K可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，具有低電壓高性能的8位微處理器，與普通的C51具有相同的內(nèi)核，并且支持C語言源程序的調(diào)試，開發(fā)較容易。89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。本文采用89C51作為數(shù)據(jù)終端的主控芯片。主要使用了89C51的以下功能。

第一，靈活運(yùn)用兩個(gè)全雙工串口，兩個(gè)串口的波特率是獨(dú)立設(shè)置的。串口1經(jīng)過SP3223E電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)進(jìn)行信息交換，串口0與GPS模塊相互連接，實(shí)現(xiàn)與接收機(jī)的通訊；第二，JTAG接口與用戶系統(tǒng)直接連接，無需其他的仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和下載；第三，運(yùn)用64K大容量閃速存儲(chǔ)器ROM。64K flash ROM已滿足設(shè)計(jì)要求，程序存儲(chǔ)器不用再擴(kuò)展。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，從實(shí)際考慮出發(fā)擴(kuò)展了一片容量為8K的數(shù)據(jù)存貯器芯片6264。

此外本模塊還包括RS232C串口模塊、穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)、天線的選取、電源供電模塊設(shè)計(jì)以及RS232串口模式設(shè)計(jì)。RS232C串口模塊采用SIPEX公司的SP3223E模塊。SP3223E主要功能是連接單片機(jī)和PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)電平相互轉(zhuǎn)換。

本文采用穩(wěn)壓電源芯片S1112，能夠保證數(shù)據(jù)終端工作可靠穩(wěn)定。S1112是運(yùn)用CMOS技術(shù)開發(fā)的具有低壓差、低消耗電流、高精度等優(yōu)點(diǎn)的電壓穩(wěn)壓器。因內(nèi)置了低導(dǎo)通電阻晶體管，所以電壓差低，并且能夠獲得較大的輸出電流。為了使負(fù)載電流不超越輸出晶體管的電流限額值，內(nèi)置了過載電流的保護(hù)電路。此外，為了延長電池的使用壽命還內(nèi)置了電源開/關(guān)控制電路。

由于天線的做法以及原理相對(duì)比較復(fù)雜，所以有源天線內(nèi)核技術(shù)含量比較高且涉及到硬件調(diào)試和高頻。一般選用天線增益約27dB，噪聲系數(shù)約l.5dB。本文選擇成品天線3V供電有源天線。通常有源天線水平放置，如果需要其角度的改變，則需要做更為詳細(xì)的考慮。有源天線的電壓由GPS模塊提供，在GPS模塊的RFIN端接一個(gè)10Ω的電阻，連接到Vee ANT端就能實(shí)現(xiàn)GPS對(duì)有源天線的供電。

5V轉(zhuǎn)3V的五腳LDO是供電電源穩(wěn)壓電路模塊。對(duì)電壓穩(wěn)定方面精度要求較高，輸出紋波須在50mV以下，電流在150mA左右，因此選用SOT23-5封裝的TPS76130（3.0V）來滿足電源供應(yīng)的要求。TPS76130穩(wěn)壓精度高、壓差小、省電，并且輸出紋波很小，對(duì)整機(jī)的信號(hào)干擾小。為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，使+5V和+3V電源輸出端紋波小，因此分別接了兩個(gè)容值不等的電容，從而防止紋波電壓產(chǎn)生干擾，具體供電電路如圖2所示。后備3V可充電微型電池則在數(shù)據(jù)保存時(shí)使用，能夠減緩GPS的啟動(dòng)時(shí)間和記錄GPS的啟動(dòng)參數(shù)。由3V的電壓經(jīng)過二極管對(duì)后備電池進(jìn)行充電續(xù)航，通?？梢员４鎺讉€(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[6]。10h后，后備電池電量被用完，保存數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。

配置后備電池，主要是為了模塊的溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。其中模塊的熱啟動(dòng)在信號(hào)較好的情況之下，1～3s就能夠快速定位。溫啟動(dòng)是指由后備電池提供備份，在2h內(nèi)重新啟動(dòng)。溫啟動(dòng)速度介于冷啟動(dòng)與熱啟動(dòng)之間，但一般狀況下遠(yuǎn)好于冷啟動(dòng)。環(huán)境、氣候、干擾等各種因素都會(huì)影響啟動(dòng)時(shí)間。由于GPS啟動(dòng)需要較好的環(huán)境條件，在信號(hào)較差的情況下啟動(dòng)時(shí)間較長，熱啟動(dòng)就變得非常重要，因此備用電池就顯得舉足輕重。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

RS-232串口模式選擇的芯片是MAX3232，從而實(shí)現(xiàn)直接和單片機(jī)對(duì)接。因?yàn)镸AX3232的工作電壓為+3V左右，所以可以從穩(wěn)壓芯片上提取穩(wěn)定的+3V電壓。此種設(shè)計(jì)方法可以更加保證RS232芯片的運(yùn)行安全。串行口與PC機(jī)接口電路圖如圖3所示。

圖3 串口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)空投的控制主程序的流程圖如圖4所示。螺旋槳裝置通電后，單片機(jī)上電。開始空投后，空投裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，完成GPS數(shù)據(jù)接收—單片機(jī)程序控制—電機(jī)開始工作—刷新數(shù)據(jù)的循環(huán)過程。

3.2 GPS信息提取

本系統(tǒng)中的GPS通信模塊遵循NMEA0183協(xié)議格式，提供串行通信接口，其通信參數(shù)見表1。

圖4 主程序流程框圖

表1 GPS通信模塊通信參數(shù)

經(jīng)緯度及其方向、GPS定位的狀態(tài)和信號(hào)接收時(shí)間等都是從“GPRMC”幀中獲得，所以只需對(duì)“GPRMC”幀進(jìn)行處理就可以提取出數(shù)據(jù)。NMEA0183協(xié)議還有其他的一些幀格式，但并不常用。如果遇到特殊情況，需從其他幀獲取數(shù)據(jù)，處理方法完全與處理“GPRMC”幀相似。獲得一個(gè)完整的GPS幀數(shù)據(jù)后，按照NMEA0183協(xié)議確定的數(shù)據(jù)格式提取出所需要的位置信息。因?yàn)椤癎PRMC”幀內(nèi)數(shù)據(jù)段之間是用逗號(hào)隔開的，所以在進(jìn)行處理數(shù)據(jù)時(shí)需先查找ASCII碼“$”來判斷是不是幀頭；從幀頭開始讀取數(shù)據(jù)直到回車符結(jié)束，整個(gè)過程中通過對(duì)逗號(hào)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)從而判斷出當(dāng)前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

初始化階段對(duì)單片機(jī)、GPS模塊進(jìn)行初始化，單片機(jī)要設(shè)置成串口工作模式，并且通過RS232接口與GPS連接，波特率設(shè)置為4800b/s，完成GPS模塊串口的通信工作。數(shù)據(jù)傳送采用異步串行的方式。GPS數(shù)據(jù)讀取可分為三個(gè)過程：串口通訊、數(shù)據(jù)信息提取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。首先程序?qū)拇诮邮盏紾PS信息送入到串口緩沖區(qū)，再按一定時(shí)間間隔讀取串口緩沖區(qū)中GPS信息數(shù)據(jù)，并判斷GPS數(shù)據(jù)是否符合所需要求，若符合，則從數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，存入相關(guān)結(jié)構(gòu)體中，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置并且調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速與偏角。

通過Protues與keil聯(lián)合編譯模擬降落傘降落，GPS實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)。經(jīng)過驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的輸出距離目標(biāo)點(diǎn)的方位角和距離，方位精度高于1°，距離精度高于lm；輸出的頻率是1Hz，定位精度高于30m；通過優(yōu)化程序，使單片機(jī)因計(jì)算產(chǎn)生的延時(shí)小于5s；GPS測(cè)速的數(shù)據(jù)采樣率為1Hz并且可連續(xù)保留1h以上的數(shù)據(jù)。