基于ATmega328p与Android的航拍侦察六轴对转飞行器的设计

吉林大学珠海学院　刘梦亭　吴　凡　陈志钦

基于ATmega328p与Android的航拍侦察六轴对转飞行器的设计

吉林大学珠海学院刘梦亭吴凡陈志钦

本设计以ATmega328p控制芯片为核心控制器实现了六轴对转飞行器的设计，并通过蓝牙和无线串口通信的方式实现了在Android系统下的远程控制。通过电脑及手机地面站在谷歌地图上标注预计航点，将信息保存并上传至飞行器身上带有的GPS模块使其自主飞行。

ATmega328p；android；六轴对转飞行器

引言

由于天气因素的影响，卫星或载人飞机难以及时获取对灾难救助指挥的实时地面影像。采用无人机可超低空云下作业，对天气依赖小，不需要专用机场，获取地面影像速度快。

六轴式无人侦察飞行器是一种机上无人驾驶，可重复使用的航空侦察，监控飞行器。飞行器内部控制系统自主控制（自动程序控制或依靠传感器的人工智能式自动控制）执行任务，或由飞行器外的控制站（手机Android地面站及电脑地面站）发出遥控指令操纵执行任务。

爱特梅尔公司的ATmega328p单片机具有高性能、高性价比、外设丰富和低功耗等优点，本设计应用ATmega328p内核的单片机作为飞行器的行为控制器，对摄像设备进行底层驱动，图像处理及视频处理，通过2.4G的Wi-Fi无线传输图像信息到地面站的电脑上实时显示，实现航空视频拍摄及照片拍摄，并及时将信息传回地面站。也可由地面站从电脑通过ZIGBEE数字传送电台发送到飞行器的接收端。由飞控设备通过GPS定位进行飞行路线的预先设定，飞行器按照指定路线飞行，实现自主导航，自主盘旋，并且在失去信号时自动回到GPS记录的初始位置，实现无人控制的远程无线遥感控制飞行器自主飞行。

超声波定高可实现高度保持模式，即飞控设备参与控制飞机高度，结合云台增稳抗震系统保持摄像机的平稳，适合航拍。

1.硬件设计

六轴无人飞行器是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle缩写UAV）。由于飞行器的研发在民用和军事领域中具有广阔的应用前景，众多的航模爱好者、科学家致力于微型飞行器的研究。目前在市场上出现较多的是三轴、四轴的飞行器，六轴对转飞行器相对非常少。

图1　硬件控制原理图

本课题研究以六轴微型飞行器的机型特点，采用螺旋桨上下对转形式，减小气流对旋翼的影响，增强了飞行器的稳定性，结合ATMEGA328P单片机的优越性能，以ATMEGA328P为控制单元核心，加上相应的电源电路、串/并口通讯电路、传感器检测电路及PWM信号隔离电路等，进行了六轴飞行器系统的硬件设计（见图1）。

本设计采用Y6布局，共有三个输出轴，每个输出轴有两个旋转方向相反的动力系统，这代表了一旦在空中某一个电动机（螺旋桨）发生故障，由于同一输出轴上还有一个具有较大剩余功率的动力系统，飞机的控制系统会自动加大剩余功率的使用，使飞行器从容返回并安全降落。

图2　六轴对转螺旋飞行器

图3　六轴对转无人飞行器机身硬件设计

动力系统：多轴飞行器通常由多个电动机直接带动螺旋浆旋转产生升力 。以无刷无感马达为动力核心，无刷电子调速器，用于产生三相交流电，以PWM信号的脉冲宽度来控制输出的电压及电流，进而控制电动机转速。

2.软件设计

由地面站（ground station）从电脑通过ZIGBEE数据传输电台发射到飞行器上的接收端，由飞控设备配合GPS实现自主导航，自主盘旋，并且在失去信号时自动回到GPS记录的初始位置。或由手机android系统地面站通过蓝牙与飞行器上的蓝牙模块对接实现数据的传送，通过地面站在谷歌地图上标注预计航点，这样通过手机GPS也可实现自主导航。

软件采用手机Android地面站及电脑地面站显示终端，实现飞行试飞调试及控制。

软件调试：启动无线传输模块，在遥控模式下试飞六轴飞行器，观察其震动剧烈程度，打开mission planner软件反复调试P、I、D值，直到飞行状况十分稳定。

图4　手机地面站

图5　蓝牙模块实现短距离实时操控

采用zigbee1605A无线数字传输模块实现数字通讯，电脑作为视频监控站，可以多航点自动飞行；能显示实时的飞机姿态与高度，航向等功能；能显示飞机在谷歌地图上的位置与航向，及高度。相当于一个无人机的雷达，可以跟踪自己的飞机所在，在电脑地面站上进行监测。

图6　电脑地面站

GPS定点与导航自主飞行系统的设计，通过手机地面站在谷歌地图上标注预计航点，将信息保存并上传至飞行器身上带有的GPS模块，使其自主飞行。根据实时GPS坐标判断飞行器是否发生漂移或者偏离预定飞行轨道。并且在失去信号时自动回到GPS记录的初始位置。

图7　GPS定点与导航自主飞行系统的设计

3.结束语

六轴对转飞行控制系统的机上部分包括：六轴姿态稳定与控制系统，自主飞行控制和指挥系统，飞行轨迹和导航控制系统，起飞与精确着陆飞行控制系统，及飞行安全控制系统。飞行控制系统的地面部分包括：飞行操纵和指令系统，飞行监控及显示系统，飞行定位系统，飞行自动指令系统，手机地面站系统。

该设计实现了航拍及无线视频及图像传输功能，研究成果可应用于电力巡线，灾害评估，农林喷药等民用领域。

［1］刘峰等.四轴飞行器姿态控制系统设计［J］.计算机测量与控制，2011，19（3）.

［2］孙骅.基于GPS与AHRS的四轴飞行器悬停算法研究［J］.机械科学与技术，2013，Vol.32，No.4.

［3］X-600D四轴飞行器使用说说［S］.香港：香港科比特科技有限公司.

［4］张明连.飞行控制系统［M］.北京：航空工业出版社，1994.

刘梦亭（1981-），女，江西景德镇人，工学硕士，讲师，主要研究方向：系统工程，嵌入式开发，信号处理。

吴凡（1995-），男，广东汕头人，在校大学生，主要研究方向：机械设计制造及其自动化，机电一体化，机械结构原理设计。

陈志钦（1994-），男，广东茂名人，在校大学生，主要研究方向：微电子工程，嵌入式开发。

2015年广东大学生科技创新培育专项资金（“攀登计划”专项资金）立项项目：四轴无人机智能运输系统；吉林大学珠海学院质量工程立项（ZLGC20130701），项目名称：以多层次MCU为核心的系列课程实践教学改革与创新；吉林大学珠海学院质量工程立项（ZLGC20150706）项目名称：数字信号处理精品课建设。