基于MSP430的无人机机载防鸟系统

刘佳嘉 赵玉强 马俊 董明道

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307；2.中国人民解放军 93704部队，北京通州 101100）

基于MSP430的无人机机载防鸟系统

刘佳嘉1赵玉强2马俊1董明道1

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307；2.中国人民解放军 93704部队，北京通州 101100）

针对无人机在飞行过程中常受鸟类攻击的问题，研发一种利用低功耗单片机配合超声波模块、频闪模块和数字音频模块实现驱鸟的机载系统。采用单片机MSP430作为控制单元，驱动超声波系统发射有效频段内的变频超声波，同时结合频闪模块随机发出强光和数字音频发出的鸟类天敌的叫声，有效降低了鸟类的适应性。结果表明，该系统可靠性高，驱鸟效果良好，有效提高了无人机作业时的安全性。

无人机；MSP430；防鸟系统

近年来，无人机技术迅猛发展，具有高效率、低成本、大产出等优势。然而，在无人机工作过程中，常常因为鸟类活动而受到干扰。在城市中，大量的鸽群繁衍生息。鸽子是一种领地意识强，并且天性好奇的鸟类。无人机工作时，如果遭受鸽子袭击，会致使飞行任务无法顺利完成，曾经甚至导致桨叶被撞坏，从空中坠落并对地面人员造成伤害的后果。在野外更有数量庞大的各种鸟类，且野外鸟类的出现具有不确定性，无人机在野外遭受鸟类袭击的事件并不鲜见。因此，一个高效低功耗的无人机机载驱鸟系统对无人机正常作业具有重要作用［1］。

本文基于MSP430单片机，通过无线模块进行控制，研制了一个适用于四旋翼无人机的驱鸟系统，使无人机在工作时，不再受到鸟类的骚扰和威胁，保证作业任务顺利完成。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

该驱鸟系统主要由MSP430F5529单片机模块、超声波发生器模块、高亮LED频闪灯模块、音频播放器模块4个模块组成，供电由单独的3S电池提供，与飞行器电源相互独立。总体结构框图如图1所示。

图1 总体结构

1.2 工作原理

由遥控器控制无线模块，无线模块向单片机输入一高电平，单片机开始进入工作模式，驱动驱鸟模块工作，交替播放已存储在存储卡中有害鸟类天敌的叫声或其他鸟类不喜的声音信号，MP3解码模块输出的声音信号经功率放大后传到扬声器中播放；超声波喇叭同时发射频率为16K以上的大功率超声波。这种变频超声波和随机播放的数码语音结合，对鸟类听觉系统进行干扰和刺激，能够使近距离的鸟类显得烦躁不安，迫使鸟类远离该区域，并有效降低鸟类的适应性，以达到驱赶鸟类的目的。电源模块选用3S航模电池，体积小，容量大，能够使驱鸟模块工作时间有效延长。

2 驱鸟系统主要器件

2.1 MSP430单片机

为了降低系统功耗，系统选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430f5529作为主控芯片，其具有功耗低、处理能力强、片内资源丰富的特点，对于开发超低功耗和高速实时控制产品是一个最优的选择。MSP430f5529单片机最低工作电压为1.8～3.6V，电流最低至150μA。最低功耗休眠模式时电流仅需0.18μA。

2.2 超声波模块

超声波模块选用美国AD公司生产的AD9850芯片，AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成，可输出正弦波和方波，采用125MHz的有源晶振，频率输出为0～40MHz。再输入超声波喇叭发出90dB以上的超声波。

2.3 频闪灯模块

根据鸟类惧怕闪光的特性，可以通过高亮度LED灯珠由单片机控制频闪，以达到驱散鸟的目的。选用美国CREE公司的XPE红光LED，其功率达到3W，电压为2.2～2.6V，电流为650～750Ma，光通量为110～120LM。组件前后左右共4组，每组2个LED，以确保每次闪烁能惊吓到周围10m左右的鸟类。

2.4 音频模块

正如人类永远不能习惯人类自身的哀鸣声一样，鸟类听到同类悲哀、痛苦和惊吓时的叫声，就会感到十分痛苦和惊慌，进而离开这个环境。根据这一点，录取不同鸟类的悲哀、痛苦和惊吓的叫声，再加上猎枪、铜锣、大多数鸟类的天敌苍鹰的声音，以MP3的格式存储于SD卡中。MP3音频芯片选用凌通GPD2846A，选用8002功放及3W/ 4Ω高性能扬声器，随机播放上述音频，确保能将无人机周围10m的鸟类驱散。

2.5 供电模块与无线模块

由3块3S航模电池串联供电。无线模块选择NRF24L01，其是由NORDIC生产的工作在2.4～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。

3 控制系统设计

系统通过无线模块通信，接受来自地面控制器的控制信号，当系统处于低功耗休眠状态时，未收到控制信号则一直休眠直到收到开始的信号，开始之后开启系统的中断，处于定时器中断中的超声波模块程序、频闪灯模块程序和音频模块程序开始运行，直到收到停止的信号，收到停止信号之后关闭系统中断，各模块停止工作，并进入低功耗模式开始休眠，等待下一个开始信号。具体工作流程如图2所示。

图2 驱鸟系统工作流程

4 试验结果

将该驱鸟模块安放在鸟类数量较大的树林周边和空旷地段进行了10次测试，每次测试时间15min左右，结果表明，驱鸟器在空中的有效距离约在8m左右，当鸟类进入有效距离时会往反方向惊飞。在不同光照强度下测试时，有效距离几乎没有改变。该声、光结合的无人机机载驱鸟系统能够有效地驱鸟，使无人机工作更稳定可靠。

5 结论

研制的基于MSP430芯片的无人机机载驱鸟系统的电源由额外的3S航模电池提供，不影响无人机的续航，且自身功耗较低，由无线模块控制，易于地面飞手操作。机载驱鸟系统的有效距离约在8m左右，在不同光照强度下测试时，有效距离几乎没有改变。事实证明，该声、光结合的无人机机载驱鸟系统能够有效地驱鸟，使无人机工作更稳定可靠。

［1］宋利民，马宝山，王曰承，等.16位单片机在机场驱鸟器系统中的应用［J］.大连海事大学学报，2006（32）：78-80.

MSP430-Based on-Board Birds Expulsion System for UAV

Liu Jiajia1Zhao Yuqiang2Ma Jun1Dong Mingdao1
（1.Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan Sichuan 618307；2.93704 People's Liberation Army，Tongzhou Beijing 101100）

Aiming at the problem that the unmanned aerial vehicles(UAVs)are attacked by birds frequently,an onboard system was developed to drive away birds which used a kind of low-power single-chip microcomputer to match ultrasonic module,strobe module and digital audio module.The microcomputer MSP430 was used as control unit to drive the ultrasonic system to transmit the frequency-converted ultrasonic waves in the effective frequency band,at the same time,the strobe module randomly emits strong light and digital audio make noise of bird predators,and ef⁃fectively reduces the birds'adaptability.The experimental results show that the system has high reliability and good bird-expulsion effect,which improves the safety of the UAV.

UAV；MSP430；bird-expulsion system

V351

：A

：1003-5168（2017）01-0062-02

2016-11-13

四川省大学生创新创业训练计划项目（201510624021）。

刘佳嘉（1986-），女，硕士，讲师，研究方向：航空电子，图像处理。