基于嵌入式ARMv7的监测飞行器系统设计

燕丽红，林志雄，王 灏

（1.西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安710065；2.莆田学院 机电工程学院，福建 莆田 351100）

智能飞行器是指由无线电地面遥控飞行或和自主控制飞行的可垂直起降的不载人飞行器[1]。近年来,智能飞行机技术日趋成熟,性能不断完善,逐步向小型化、智能化、隐身方向发展[2-3]，其更多地用于抗震救灾，交通管制等领域。而地震等各种自然灾害频发且灾害的不可预知性及发生灾害地点的特殊地貌特征，使救援人员一般很难在第一时间进入灾区获取到灾情信息，或是在不利于人工作业的地区进行勘探和侦察，对灾区救援工作带来很大的不便。因此，采用先进的技术设计一款智能，小型化的飞行器能实时进行灾区情况监测就显得尤为重要。本系统在嵌入式ARMv7架构下，通过模块化思想设计了一款重量轻、动力足、可以远程操控和自主导航飞行的飞行器。

1 系统的总体设计

1.1 系统总体设计框图

该系统采用嵌入式为开发平台，通过模块化的思想进行了智能监控飞行器系统设计，主要由主控模块、飞行控制模块、信息采集模块、无线通信模块、动力模块等五大模块组成。其中飞行器系统总体设计框图如图1所示。

图1 飞行器系统总体设计框图Fig.1 Scheme of flight vehicle system

1.2 系统各模块功能分析

1）主控模块

本系统采用博创物联网嵌入式UP－CUPIOT A8－II平台作为主控单元，主要负责接收和处理采集模块发送的数据、在接收无线传输模块发送的控制指令的同时并向飞行控制模块发送飞行器控制指令，将实时视频数据和传感器数据通过无线传输模块发送至控制端。该平台内置Cortex－A8核心[4]，基于ARMv7架构的应用处理器，具有强大的NEONTM信号处理扩展集，含ZigBee无线传感器模块、RFID射频读卡模块、Bluetooth蓝牙通讯模块、GSM/GPRS通讯模块。另外可直接外扩多种通讯模块，如WIFI、3G、GPS等，能够满足各种应用的需求。

2）飞行控制模块

该模块主要包括陀螺仪、加速度传感器、重力传感器、气压计、电子罗盘等传感器[5]，各部分的功能如下：

陀螺仪：三轴陀螺仪的功能主要在空中检测飞行器的飞行姿态。当飞行器发生偏转时，检测并通过积分计算出偏转的角度，实时了解飞行器的飞行状态，从而进行飞行姿态的校正。

加速度传感器：利用了其内部加速度造成晶体变形的特性产生电压。本系统通过加速度传感器来获取当前飞行器在三维空间里的线性加速度，配合陀螺仪传感器，进而计算当前的飞行姿态。

重力传感器：可以测量出当前飞行器与重力方向的夹角，从而判断出飞行器是否处于水平状态。同时，通过重力传感器测量由于重力引起的加速度，可以计算出飞行器相对于水平面的倾斜角度。

气压计：能自动连续记录气压随时间的变化。通过计算气压的变化，便可以粗略计算出当前飞行器的海拔高度，配合信息采集模块中的超声波传感器，便可以精确测量出当前飞行的高度。

电子罗盘：电子罗盘也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。通过电子罗盘，飞行器便可以精确得出当前飞行器的方向，从而检测飞行器是否发生了旋转，并且校正当前的方向角度。

3）信息采集模块

该模块主要包括如下传感器：

超声波测距：采用了类似雷达的原理，通过向外发射超声波，并接收反射回的超声波，从而精准的计算出当前距离障碍物的距离。超声波测距模块可提供3 cm～3.5 m的非接触式距离感测功能。本系统通过超声波测距，测量出当前飞行器精确的高度。也可通过超声波测距模块，循环读取高度信息，从而自动调整螺旋桨动力大小，实现定高悬停及自动降落。

摄像头：摄像头（CAMERA）负责采集视频信号。本系统摄像头模块采用中星微ZC301视频芯片，该处理芯片让视频的处理速度更快，它可以在640x480及800x600的分辨率下轻松达到30fps的速度，能够保证视频的流畅传输，彻底消除跳跃感，并可以充分利用网络传输带宽。

人体红外传感器：基于红外线技术的自动控制模块，本传感器[6]采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。因为该模块可以检测到地下5～7 m的人体红外，本系统通过该模块来检测飞行器下方是否有生还者。如果发现生还者，则立即向控制者发出警示。

4）无线通信模块

该模块主要由具有USB接口的WIFI无线网卡和2.4G的射频模块组成。通过驱动USB无线网卡，并搭建AD－HOC点对点网络，实现飞行器与手持终端（如智能手机、平板电脑）和PC之间的通信。采样2.4G的射频模块和遥控器之间进行通信。

5）动力模块

动力模块主要包括：无刷电子调速器、XXD 2212无刷电机。

无刷电子调速器：电子调速器（Electronic Speed Controller），简称ESC。它可以根据控制信号调节电动机的转速。

无刷电机：无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，本系统通过主控模块发送电子调速器的控制信号，控制4个电机不同的转速，从而改变飞行器的飞行动作。

2 系统的硬件设计

2.1 信息采集模块总体电路设计

信息采集模块主要由 DS18B20（温度传感器）、HCSR501（人体红外传感器）、HC－SR04（超声波测距传感器）等几部分组成，其中这三者之间和contex－A8总体电路图如图2所示。

图2 信息采集模块总体电路图Fig.2 Circuit diagram of Information acquisition module

2.2 信息采集各分模块的电路设计

1）HC－SR501人体红外感应模块

HC－SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，低电压工作模式，能广泛应用于各类自动感应电器设备。

2）DS18B20温度传感器

DS18B20采用单线接口通信的方式，结构简单无需其他元件电路，抗干扰能力强，适合于多种环境下的温度采集。

3）HC-SR04超声波传感模块

超声波传感器原理图如图3所示。

图3 超声波传感器原理图Fig.3 Circuit diagram of Ultrasonic sensors

3 系统的软件设计

3.1 飞行器的总体工作过程

首先由遥控器控制飞行器起飞，主控模块开始控制飞控模块[7]，将飞控模块的各传感器数据采集到主控模块，主控模块进行数据处理分析，控制飞行器达到稳定飞行状态。其次，主控模块控制信息采集模块，将各种传感器信息采集后，由主控模块进行数据处理，经过无线通讯模块将数据发送至pc终端或手持设备（平板电脑、手机），完成数据的处理。

3.2 飞行器飞行控制流图

控制端和飞行器建立通信之后，利用无线通信向飞行器发送控制指令，无线通信模块将数据接收，并发送给主控模块，主控模块对指令进行识别，并向飞行控制模块发出信号，飞行控制模块最终控制动力模块做出相应的指令。其飞行控制流图如图4所示。

图4 飞行控制流图Fig.4 General workflow of flight vehicle control

3.3 飞行器实时视频采集流图

主控模块通过控制信息采集模块中的摄像头，读取实时视频信息，并通过M-JPEG STREAMER发送视频流，最终通过无线通信模块发送给控制端，其流图如图5所示。

图5 视频采集流图Fig.5 General workflow of Video acquisition

3.4 飞行器传感器实时数据采集

主控模块通过控制信息采集模块中的传感器，读取传感器采集的实时数据信息，将传感器数据写入XML文件，最终通过无线通信模块发送给控制端，控制端再通过解析XML文件获取到传感器实时数据信息，并做出显示，其流图如图6所示。

图6 传感器数据采集流图Fig.6 General workflow of sensor

4 系统功能测试

本系统可以在Android系统中[8]，通过飞行器上搭建的BOA服务器，下载飞行器上的传感器数据XML文件[9]，并在手持终端的应用程序中进行XML文件解析，以读取实时的监控信息。遥控器通过2.4 G射频与飞行器相通信。

PC机通过飞行器上搭建的BOA服务器，可以直接读取飞行器发送来的视频流，同样通过解析XML文件的方式，读取飞行器上的传感器数据。与手持终端不同的是，PC机上不需要额外安装客户端或配置环境，打开飞行器搭建的网页即可进行数据接收。手持终端显示如图7所示，PC端显示如图8所示。

图7 平板电脑控制端显示Fig.7 Display of Handheld terminals

图8 PC机控制端显示Fig.8 Display of PCterminals

5 结 论

本系统采用嵌入式UP-CUPIOT A8-II平台，结合数据采集模块和无线通信模块设计了一款飞行控制系统。该飞行器具有重量轻、体积小、动力足、机动灵活和安全性高等优点，同时该系统结合当前嵌入式物联网电子技术，使其具有超低空机动飞行、定点悬停降落、实时视频采集、生命探测等功能，可以广泛应用在城市交通探测、地震侦察救援、气象监测等领域。

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