基于嵌入式ARMv7的監(jiān)測(cè)飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能飛行器是指由無(wú)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(lái)，智能飛行機(jī)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(diǎn)的特殊地貌特征，使救援人員一般很難在第一時(shí)間進(jìn)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(jìn)行勘探和偵察，對(duì)災(zāi)區(qū)救援工作帶來(lái)很大的不便。因此，采用先進(jìn)的技術(shù)設(shè)計(jì)一款智能，小型化的飛行器能實(shí)時(shí)進(jìn)行災(zāi)區(qū)情況監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。本系統(tǒng)在嵌入式ARMv7架構(gòu)下，通過(guò)模塊化思想設(shè)計(jì)了一款重量輕、動(dòng)力足、可以遠(yuǎn)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(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)采用嵌入式為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)模塊化的思想進(jìn)行了智能監(jiān)控飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要由主控模塊、飛行控制模塊、信息采集模塊、無(wú)線通信模塊、動(dòng)力模塊等五大模塊組成。其中飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(tái)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(wú)線傳輸模塊發(fā)送的控制指令的同時(shí)并向飛行控制模塊發(fā)送飛行器控制指令，將實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至控制端。該平臺(tái)內(nèi)置Cortex—A8核心，基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，具有強(qiáng)大的NEONTM信號(hào)處理擴(kuò)展集，含ZigBee無(wú)線傳感器模塊、RFID射頻讀卡模塊、Bluetooth藍(lán)牙通訊模塊、GSM/GPRS通訊模塊。另外可直接外擴(kuò)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(jì)、電子羅盤(pán)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(cè)飛行器的飛行姿態(tài)。當(dāng)飛行器發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)并通過(guò)積分計(jì)算出偏轉(zhuǎn)的角度，實(shí)時(shí)了解飛行器的飛行狀態(tài)，從而進(jìn)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(guò)加速度傳感器來(lái)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(jìn)而計(jì)算當(dāng)前的飛行姿態(tài)。

重力傳感器：可以測(cè)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(shí)，通過(guò)重力傳感器測(cè)量由于重力引起的加速度，可以計(jì)算出飛行器相對(duì)于水平面的傾斜角度。

氣壓計(jì)：能自動(dòng)連續(xù)記錄氣壓隨時(shí)間的變化。通過(guò)計(jì)算氣壓的變化，便可以粗略計(jì)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(cè)量出當(dāng)前飛行的高度。

電子羅盤(pán)：電子羅盤(pán)也叫數(shù)字指南針，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法。通過(guò)電子羅盤(pán)，飛行器便可以精確得出當(dāng)前飛行器的方向，從而檢測(cè)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(cè)距：采用了類似雷達(dá)的原理，通過(guò)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(jì)算出當(dāng)前距離障礙物的距離。超聲波測(cè)距模塊可提供3 cm～3.5 m的非接觸式距離感測(cè)功能。本系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距，測(cè)量出當(dāng)前飛行器精確的高度。也可通過(guò)超聲波測(cè)距模塊，循環(huán)讀取高度信息，從而自動(dòng)調(diào)整螺旋槳?jiǎng)恿Υ笮?，?shí)現(xiàn)定高懸停及自動(dòng)降落。

攝像頭：攝像頭(CAMERA)負(fù)責(zé)采集視頻信號(hào)。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(dá)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(dòng)控制模塊，本傳感器采用德國(guó)原裝進(jìn)口LH1778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。因?yàn)樵撃K可以檢測(cè)到地下5～7 m的人體紅外，本系統(tǒng)通過(guò)該模塊來(lái)檢測(cè)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(wú)線通信模塊

該模塊主要由具有USB接口的WIFI無(wú)線網(wǎng)卡和2.4G的射頻模塊組成。通過(guò)驅(qū)動(dòng)USB無(wú)線網(wǎng)卡，并搭建AD—HOC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)飛行器與手持終端(如智能手機(jī)、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(jìn)行通信。

5)動(dòng)力模塊

動(dòng)力模塊主要包括：無(wú)刷電子調(diào)速器、XXD 2212無(wú)刷電機(jī)。

無(wú)刷電子調(diào)速器：電子調(diào)速器(Electronic Speed Controller)，簡(jiǎn)稱ESC。它可以根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

無(wú)刷電機(jī)：無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，本系統(tǒng)通過(guò)主控模塊發(fā)送電子調(diào)速器的控制信號(hào)，控制4個(gè)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，從而改變飛行器的飛行動(dòng)作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集模塊總體電路設(shè)計(jì)

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(cè)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(jì)

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(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LH1778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，低電壓工作模式，能廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)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(jiǎn)單無(wú)需其他元件電路，抗干擾能力強(qiáng)，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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