基于嵌入式ARMv7的監(jiān)測飛行器系統(tǒng)設(shè)計

智能飛行器是指由無線電地面遙控飛行或和自主控制飛行的可垂直起降的不載人飛行器。近年來，智能飛行機技術(shù)日趨成熟，性能不斷完善，逐步向小型化、智能化、隱身方向發(fā)展，其更多地用于抗震救災(zāi)，交通管制等領(lǐng)域。而地震等各種自然災(zāi)害頻發(fā)且災(zāi)害的不可預(yù)知性及發(fā)生災(zāi)害地點的特殊地貌特征，使救援人員一般很難在第一時間進入災(zāi)區(qū)獲取到災(zāi)情信息，或是在不利于人工作業(yè)的地區(qū)進行勘探和偵察，對災(zāi)區(qū)救援工作帶來很大的不便。因此，采用先進的技術(shù)設(shè)計一款智能，小型化的飛行器能實時進行災(zāi)區(qū)情況監(jiān)測就顯得尤為重要。本系統(tǒng)在嵌入式ARMv7架構(gòu)下，通過模塊化思想設(shè)計了一款重量輕、動力足、可以遠程操控和自主導(dǎo)航飛行的飛行器。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

該系統(tǒng)采用嵌入式為開發(fā)平臺，通過模塊化的思想進行了智能監(jiān)控飛行器系統(tǒng)設(shè)計，主要由主控模塊、飛行控制模塊、信息采集模塊、無線通信模塊、動力模塊等五大模塊組成。其中飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各模塊功能分析

1)主控模塊

本系統(tǒng)采用博創(chuàng)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式UP—CUP IOT A8-II平臺作為主控單元，主要負(fù)責(zé)接收和處理采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)、在接收無線傳輸模塊發(fā)送的控制指令的同時并向飛行控制模塊發(fā)送飛行器控制指令，將實時視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送至控制端。該平臺內(nèi)置Cortex—A8核心，基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，具有強大的NEONTM信號處理擴展集，含ZigBee無線傳感器模塊、RFID射頻讀卡模塊、Bluetooth藍牙通訊模塊、GSM/GPRS通訊模塊。另外可直接外擴多種通訊模塊，如WIFI、3G、GPS等，能夠滿足各種應(yīng)用的需求。

2)飛行控制模塊

該模塊主要包括陀螺儀、加速度傳感器、重力傳感器、氣壓計、電子羅盤等傳感器，各部分的功能如下：

陀螺儀：三軸陀螺儀的功能主要在空中檢測飛行器的飛行姿態(tài)。當(dāng)飛行器發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，檢測并通過積分計算出偏轉(zhuǎn)的角度，實時了解飛行器的飛行狀態(tài)，從而進行飛行姿態(tài)的校正。

加速度傳感器：利用了其內(nèi)部加速度造成晶體變形的特性產(chǎn)生電壓。本系統(tǒng)通過加速度傳感器來獲取當(dāng)前飛行器在三維空間里的線性加速度，配合陀螺儀傳感器，進而計算當(dāng)前的飛行姿態(tài)。

重力傳感器：可以測量出當(dāng)前飛行器與重力方向的夾角，從而判斷出飛行器是否處于水平狀態(tài)。同時，通過重力傳感器測量由于重力引起的加速度，可以計算出飛行器相對于水平面的傾斜角度。

氣壓計：能自動連續(xù)記錄氣壓隨時間的變化。通過計算氣壓的變化，便可以粗略計算出當(dāng)前飛行器的海拔高度，配合信息采集模塊中的超聲波傳感器，便可以精確測量出當(dāng)前飛行的高度。

電子羅盤：電子羅盤也叫數(shù)字指南針，是利用地磁場來定北極的一種方法。通過電子羅盤，飛行器便可以精確得出當(dāng)前飛行器的方向，從而檢測飛行器是否發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，并且校正當(dāng)前的方向角度。

3)信息采集模塊

該模塊主要包括如下傳感器：

超聲波測距：采用了類似雷達的原理，通過向外發(fā)射超聲波，并接收反射回的超聲波，從而精準(zhǔn)的計算出當(dāng)前距離障礙物的距離。超聲波測距模塊可提供3 cm～3.5 m的非接觸式距離感測功能。本系統(tǒng)通過超聲波測距，測量出當(dāng)前飛行器精確的高度。也可通過超聲波測距模塊，循環(huán)讀取高度信息，從而自動調(diào)整螺旋槳動力大小，實現(xiàn)定高懸停及自動降落。

攝像頭：攝像頭(CAMERA)負(fù)責(zé)采集視頻信號。本系統(tǒng)攝像頭模塊采用中星微ZC301視頻芯片，該處理芯片讓視頻的處理速度更快，它可以在640x480及800x600的分辨率下輕松達到30fps的速度，能夠保證視頻的流暢傳輸，徹底消除跳躍感，并可以充分利用網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。

人體紅外傳感器：基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，本傳感器采用德國原裝進口LH1778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。因為該模塊可以檢測到地下5～7 m的人體紅外，本系統(tǒng)通過該模塊來檢測飛行器下方是否有生還者。如果發(fā)現(xiàn)生還者，則立即向控制者發(fā)出警示。

4)無線通信模塊

該模塊主要由具有USB接口的WIFI無線網(wǎng)卡和2.4G的射頻模塊組成。通過驅(qū)動USB無線網(wǎng)卡，并搭建AD—HOC點對點網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)飛行器與手持終端(如智能手機、平板電腦)和PC之間的通信。采樣2.4G的射頻模塊和遙控器之間進行通信。

5)動力模塊

動力模塊主要包括：無刷電子調(diào)速器、XXD 2212無刷電機。

無刷電子調(diào)速器：電子調(diào)速器(Electronic Speed Controller)，簡稱ESC。它可以根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。

無刷電機：無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，本系統(tǒng)通過主控模塊發(fā)送電子調(diào)速器的控制信號，控制4個電機不同的轉(zhuǎn)速，從而改變飛行器的飛行動作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 信息采集模塊總體電路設(shè)計

信息采集模塊主要由DS18B20(溫度傳感器)、HC—SR501(人體紅外傳感器)、HC—SR04(超聲波測距傳感器)等幾部分組成，其中這三者之間和contex—A8總體電路圖如圖2所示。

2.2 信息采集各分模塊的電路設(shè)計

1)HC—SR501人體紅外感應(yīng)模塊

HC—SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口LH1778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，低電壓工作模式，能廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。

2)DS18B20溫度傳感器

DS18B20采用單線接口通信的方式，結(jié)構(gòu)簡單無需其他元件電路，抗干擾能力強，適合于多種環(huán)境下的溫度采集。

3)HC—SR04超聲波傳感模塊

超聲波傳感器原理圖如圖3所示。

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