基于STM32的多功能掃雷無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

謝峰 劉濤 夏偉翔

摘 要： 基于STM32的無(wú)人機(jī)搭載掃雷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多功能掃雷作業(yè)。無(wú)人機(jī)憑借靈活，穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，可穿梭在各種危險(xiǎn)，復(fù)雜的環(huán)境，利用STM32進(jìn)行最優(yōu)控制，滿足無(wú)人機(jī)的各種飛行要求，并實(shí)現(xiàn)飛行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。掃雷系統(tǒng)采用LDC1000傳感器，探測(cè)地雷方位與位置，同時(shí)可夾持機(jī)械臂操作自身攜帶微型爆炸物，待飛入安全地點(diǎn)，引爆地雷，實(shí)現(xiàn)多功能掃雷。整機(jī)是一個(gè)可實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，最優(yōu)化飛行，具備探測(cè)地雷及排雷的多功能掃雷無(wú)人機(jī)。

關(guān)鍵詞： STM32；無(wú)人機(jī)；掃雷；多功能

沈陽(yáng)理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：201710144011

1 引言

在世界上的許多戰(zhàn)亂國(guó)家，到處都埋藏著未爆炸的各種彈藥和地雷。甚至在許多國(guó)家和地區(qū)還殘留有一次大戰(zhàn)和二次大戰(zhàn)中未爆炸的炸彈和地雷。因此，可以說(shuō)掃雷機(jī)器人的需求量是很大的。掃雷作業(yè)環(huán)境不同，可將掃雷機(jī)器人分陸用和海用兩類。就陸用機(jī)器人來(lái)講，雖然陸地機(jī)器人可以減少人員傷亡，但是其自身重量是有可能踩到地雷，并導(dǎo)致車體炸毀。本款設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)排雷裝置可大大減少自身觸碰地雷導(dǎo)致自毀概率，使排雷更加簡(jiǎn)單快捷。

2 項(xiàng)目概述

本款多功能掃雷無(wú)人機(jī)主要功能包括：可手控飛行飛進(jìn)雷區(qū)，進(jìn)入雷區(qū)后開啟自動(dòng)飛行，并打開金屬探測(cè)器，進(jìn)行地雷探測(cè)，定位到地雷后，懸停地雷上方，打開超聲波探測(cè)器，測(cè)量距離地雷高度，降落標(biāo)準(zhǔn)高度，伸展機(jī)械臂，輕輕釋放炸藥于地雷上，釋放后折疊機(jī)械臂回原位置，利用GPS定位記下地雷位置，返回高空后對(duì)地雷位置進(jìn)行拍照，拍照后進(jìn)行快速返回模式，攝像頭全程開啟，實(shí)時(shí)返回圖像。

2.1基于STM32飛行器裝置

無(wú)人機(jī)是一個(gè)典型的非線性、多通道耦合、多輸入多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。滿足不同飛行任務(wù)的需要就對(duì)飛行控制系統(tǒng)提出了較高的要求，因此飛行控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣決定了無(wú)人機(jī)能否滿足需要并且能否成功投入使用。

飛行控制系統(tǒng)是以飛行控制計(jì)算機(jī)為核心，集成伺服舵機(jī)、機(jī)載傳感器、配電以及地面測(cè)控等各單元，共同形成一個(gè)資源統(tǒng)一調(diào)度分配，各部分相互協(xié)同運(yùn)作的數(shù)字控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)以微機(jī)械傳感器，光流傳感器，氣壓計(jì)和GPS 模塊等為基礎(chǔ)，以 STM32F103微控制器為核心飛控計(jì)算機(jī)能夠滿足無(wú)人機(jī)飛行各狀態(tài)測(cè)量、控制算法解算等任務(wù)的需要，同時(shí)為了滿足小型化，將飛控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器、電源模塊等設(shè)計(jì)在一塊主控電路板上，大大減小了飛控系統(tǒng)占用的空間。

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的四個(gè)基本要求如下：（1）姿態(tài)航向保持控制：為了保證無(wú)人機(jī)在其飛行包線內(nèi)可控，可通過(guò)在無(wú)人機(jī)俯仰、橫滾、航向三軸方向分別加入姿態(tài)閉環(huán)控制及角速率阻尼，以此改善其阻尼特性及穩(wěn)定性。（2）高度控制：通過(guò)對(duì)其高度閉環(huán)控制，可使無(wú)人機(jī)具有保持高度控制的能力。（3）自主飛行控制：預(yù)先設(shè)定或?qū)崟r(shí)給定的飛行任務(wù)航跡可根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置信息、速度信息等導(dǎo)航信息來(lái)完成飛行。（4）應(yīng)急控制：在研制初期過(guò)程中，控制系統(tǒng)還不夠完善，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)人機(jī)失去控制的情況，因次需要切換進(jìn)入手控模式或緊急停止進(jìn)行應(yīng)急控制。

2.2金屬檢測(cè)裝置

金屬檢測(cè)裝置采用了電磁感應(yīng)原理。利用傳感器對(duì)地雷表面的金屬進(jìn)行探測(cè)，并實(shí)時(shí)數(shù)傳，判斷地雷位置。

法拉第定律和愣次定律是電磁感應(yīng)原理的核心。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)愣次定律，H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗掉一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬物體的電渦流效應(yīng)。渦流是金屬物體的距離、大小、成分的函數(shù)表達(dá)。所以檢測(cè)傳感器線圈的等效阻抗不但可以間接地檢測(cè)金屬物體的遠(yuǎn)近，還可以感知金屬物體的有無(wú)。

該探測(cè)器原理可用于對(duì)行李、郵件、包裹及人體等夾帶的各種傷害性金屬物品如槍械、武器部件、刀具、彈藥和金屬包裝的炸藥等的檢測(cè)，所以以此來(lái)檢測(cè)地雷具有可實(shí)施性。

2.3機(jī)械排雷裝置

根據(jù)機(jī)械臂系統(tǒng)的控制要求，整體采用單 CPU 的系統(tǒng)控制方案，即通過(guò)控制主控制器輸出的PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制。首先利用超聲波傳感器測(cè)量飛行器與地面距離，然后根據(jù)此距離設(shè)計(jì)出合適的機(jī)械動(dòng)作將爆炸物放在地雷上，最后收回機(jī)械臂。機(jī)械臂作為排雷裝置的一個(gè)重要組成部分，不僅起到支撐排雷爆炸物、手爪和其他關(guān)節(jié)的作用，而且還可以驅(qū)動(dòng)手爪抓取排雷爆炸物，再根據(jù)事先預(yù)定的坐標(biāo)將排雷爆炸物搬運(yùn)到指定位置。整個(gè)排雷系統(tǒng)的總質(zhì)量比較大，受力也比較復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量直接影響到機(jī)械臂的剛度和強(qiáng)度。

所以，在進(jìn)行手臂的設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)注意下述三點(diǎn)要求：（1）剛度要大。為避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生較大的形變，需合理選擇手臂的截面形狀。（2）導(dǎo)向性要好。為了避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生不必要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，臂桿最好設(shè)計(jì)成方形或是花鍵等形式。（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

3.1飛控的基本原理及相關(guān)技術(shù)

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)采用各傳感器傳回的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前姿態(tài)、位置以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后經(jīng)過(guò)導(dǎo)航和控制算法計(jì)算出控制量，再將控制信號(hào)發(fā)送給機(jī)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變飛機(jī)當(dāng)前的姿態(tài)、空速、位置，從而保證軌跡的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)是典型的基于傳感器數(shù)據(jù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)各傳感器獲得三軸角速度，三軸加速度以及磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)；通過(guò)氣壓計(jì)，GPS和數(shù)字羅盤獲得位置和航向數(shù)據(jù)。當(dāng)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，空速和位置信息偏離指令值時(shí)，飛行控制器根據(jù)PID控制算法輸出相應(yīng)的控制量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)這些控制量做出相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，使無(wú)人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的航點(diǎn)信息準(zhǔn)確飛行。根據(jù)無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，飛行控制器應(yīng)設(shè)計(jì)為：內(nèi)回路與外回路控制，即航跡外回路計(jì)算出的姿態(tài)控制量作為姿態(tài)內(nèi)回路的指令輸入值，二者構(gòu)成穩(wěn)定回路。

3.2 金屬探測(cè)裝置相關(guān)技術(shù)

根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，應(yīng)用世界首款電感到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器LDC1000 實(shí)現(xiàn)對(duì)地雷表現(xiàn)金屬的檢測(cè)。當(dāng)?shù)乩孜挥谟蒐DC1000 產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中時(shí)，地雷表面金屬內(nèi)部能感生渦電流，渦電流又會(huì)產(chǎn)生新磁場(chǎng)，進(jìn)而影響原來(lái)的磁場(chǎng)，LDC1000 通過(guò)SPI 接口以數(shù)字量輸出與這一變化相關(guān)的物理量，MCU對(duì)這些數(shù)字量進(jìn)行識(shí)別與處理，并由MCU控制電機(jī)帶動(dòng)LDC1000 在指定區(qū)域自行運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)地雷的檢測(cè)與定位，并以聲光信號(hào)給予提示。

4 總結(jié)

本款掃雷無(wú)人機(jī)在飛行方面具有較高的可靠性，較好的可維護(hù)性，以及一定的負(fù)載安裝空間，便于飛控、電池等設(shè)備的安裝，并且還有一定的續(xù)航能力，提高外場(chǎng)飛行試驗(yàn)效率。在機(jī)械排雷控制方面，控制系統(tǒng)微型化、輕型化和模塊化，多功能掃雷無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性，可靠性，維護(hù)方便。

參考文獻(xiàn)

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