基于STC15W4K的自动避障四轴飞行器设计

李承骏　商凯迪　朱凯飞

摘要：本文设计的四轴飞行器控制CPU采用STCl5W4K32S4单片机，充分利用其接口和存储资源丰富的特点，通过超声波传感器与气压计检测飞行器的飞行高度、陀螺仪检测飞行器的平衡状态、GPS实现导航，结合蓝牙无线电路收发数据，并使用PID算法对飞行器进行飞行控制计算，设计出能够实现自动避障导航功能的四轴飞行器。多次飞行试验表明自动避障导航系统能较好地执行飞行任务，达到既定设计目标。

关键词：四轴飞行器；STCl5W4K；自动避障；导航

中图分类号V2 文献标识码A 文章编号2095-6363（2015）12-0065-01

1.系统总体架构

四轴飞行器自动避障导航系统包括机载控制系统平台和地面站遥控平台及地面站监测平台。机载系统通过无线模块与地面站遥控平台和检测平台进行通信。机载控制系统包括无线模块、蓝牙模块、超声波避障模块、陀螺仪模块、飞控板、GPS定位模块、电机信号功率放大电路、STCl5W4K32S4主处理器模块等。地面站遥控平台主要由蓝牙模块、输入模块以及处理器模块组成；地面站监测平台主要由无线模块、显示模块以及处理器模块组成。

本文设计的四轴飞行器，要求能够实现如下功能。

1）通过自制的地面站遥控平台控制飞行器按一般飞行器的飞行模式飞行外，还能够切换到定点模式和自动避障导航模式。

2）能够利用地面站遥控平台发送目标地点的经纬度数据给飞行器。

3）当切换到自动避障导航模式后，飞行器能够自动绕开障碍物顺利到达目标位置后平稳降落。

4）能够通过地面数据监测站查看当前飞行器的状态数据，包括前方、上方和下方障碍物的距离，当前经纬度及前倾（俯仰）、侧倾（翻滚）、油门和偏航信号的大小。

2.系统的硬件设计

四轴飞行器地面站遥控平台、地面站监测平台及机载系统硬件设计分别介绍如下。

1）地面站遥控平台硬件组成部分有STC89C52单片机最小系统、稳压电源电路、双摇杆手柄模块、PCF8591A/D转换模块、蓝牙通讯模块等模块。

2）地面站监测平台硬件组成部分有STC89C52单片机最小系统、稳压电源电路、12864液晶显示模块、无线通讯模块等模块。

3）机载系统硬件组成部分有四轴飞行器飞行系统及电子控制系统等模块，其中电子控制系统主要由STCl5W4K32S4单片机最小系统、机载电池、稳压电源电路、ARM飞控板、GPS、超声波、陀螺仪、蓝牙、无线等模块组成。机载系统组成框图如图1所示。

3.系统的软件设计

本系统软件设计采用模块化编程思想，将系统复杂的功能分解成功能单一、接口简单、结构清晰、容易理解的功能子程序模块，然后由主程序按照规定顺序流程调用子程序，方便调试和修改。软件总体框图如图2所示。

机载系统上电后首先进行初始化：GPS开关复位为打开，超声波定高开关复位为关闭，LED灯关断，PWM输出端口初始化为低，超声波12C串行总线初始化为空闲状态，串口初始化内容包括设置串口通信方式为方式1，波特率为9600，1位停止位，无校验位。初始化完成后进入大循环中，首先进行判断串口一帧数据是否接收完成，如果接收完成则处理一帧数据，否则进入判断超声波定高是否打开，如果超声波打开则进行超声波定高处理，否则进入PWM初值转载判断环节，若上一次初值装载完成，则进行初值重新装载，否则等待PWM初值装载完成。

为实现自动避障导航功能，需要对障碍物进行距离测量，对反馈数据处理后送入飞控处理，由飞控发出飞行姿态调整的指令，并向地面站发送数据，循环进行，完成飞行任务。飞行流程如图3所示。

4.实验情况

完成后的系统实物如图4所示。经实际试飞实验，该系统能够实现自动避障功能，较好地执行了飞行任务，达到了既定设计目标。

5.总结

本文基于STCl5W4K32S4单片机，利用其丰富的集成功能，采用模块化的硬件设计思想和模块化的软件编程思想，完成了自动避障系统的硬件和软件设计，实现了飞行器自动导航与避障功能。考虑到四轴飞行器广阔的应用前景，该设计有着良好的实用价值和应用前景。