基于单片机的精准空投控制系统研究

黄 敏 张海涛 张新伟

（安徽科技学院，凤阳 233100）

1 系统总体设计

现阶段的降落伞导航与速度控制即是将单片机与GPS技术运用到降落伞的控制当中，从而完善对降落伞的实时控制，是整个降落伞装置系统的核心部分。同时，可以利用GPS的测速与定位的功能测定降落伞的飞行速度与坐标，解决了传统的激光测速设备采样率低、精度低、操作不便等缺点。运用单片机并且结合现有导航技术能够构建较为稳定的系统，保证空投安全同时也提高了着陆精度，降低了其工作成本。

1.1 空投装置结构设计

民用范围内最常见的是降落伞运动和使用降落伞进行空中观光和航拍等。降落伞是建立在翼伞理论的基础上逐步发展起来的一种悬挂滑翔飞行设备。普通降落伞一般通过顶风从山上跑下或在运输机上抛下，其下降速度低于1.5m/s，而向前的飞行速度可依靠风速最高达到16.7m/s，可完成较长时间的长途飞行。当今有很多人投入降落伞活动当中，在众多航空运动项目之中，它成为了普及范围最广，参加人数最多的运动。进行空中广告和航拍的降落伞是在降落伞的后面加装动力推进器等设备，从而使它成为有动力源的飞行器，很大程度上延长了飞行时间，减小了对起降过程的限制。

在军事领域，翼伞不仅能完成战场上人员和物资的准确空投，还能实施战机弹射座椅的安全着陆和进行无人侦查等任务。目前我国也在研究用翼伞来精确回收小型飞行器。

空投之前，首先输入空投坐标点。在空投范围内开始空投。当降落伞开始下降时，伞面发生变形，使它飞向相应的方向，同时GPS开始接受坐标和速度数据，并将数据传给单片机。通过单片机上的程序控制螺旋桨的转速与转角，修正下降时滑翔路径。通过控制螺旋桨的速度与设备转角控制降落伞，达到准确着陆的目的。为了能够了解螺旋桨的运动，需考虑它的运动状态。螺旋桨即可以向前又能够旋转，因而，桨叶的每一部分都可以向前和旋转运动。迎角即空气冲击桨叶时所需的角度。这个角度使螺旋桨在发动机侧的气动压力比大气压力高，从而产生拉力。

桨叶剖面工作的原理和飞机机翼产生升力的原理大致相同。当螺旋桨高速旋转时，气流流过凸起的桨叶背面，基于伯努利的原理可知：当流体流速增大，静压力就会减小，产生向前的升力，即飞机向前飞行的拉力。当空气密度增加时，螺旋桨扇后方向的空气质量也会增加，螺旋桨产生的拉力越大；相反，当空气密度越低，螺旋桨产生的拉力减小。因而，在高温或高空大气中飞行时，螺旋桨产生的拉力要比在低温或低空大气中飞行时小。

当螺旋桨旋转时，桨叶会源源不断的把空气向后推，在桨叶上产生向前的推进力。例如取某一小段桨叶来看，恰像一小段的机翼，旋转速度与前进速度合成了相对气流的速度。拉力由桨叶上的气动力在前进方向上的分力形成，阻止螺旋桨旋转力矩由在旋转面内的分量构成，与发动机的力矩相互抵消[3]。桨叶安装角是桨叶剖面弦和旋转平面的夹角。螺旋桨旋转一圈，以桨叶安装角为导引推进的距离称为桨距。实际桨叶上每一剖面的前进速度相同。圆周速度则与该剖面转轴的距离成正比，所以各剖面相对旋转平面和气流的夹角随与转轴间距离的增大而逐渐减低。为了能够使桨叶每个剖面和相对气流都保持在有利的迎角范围内，各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减低。

螺旋桨装置主要由桨叶、传动装置、旋转装置以及一些附件组成。传动装置用于带动桨叶装置，主要由电机、联动轴和传动轴组成。旋转装置由步进电机、轴承及轴承座、齿轮和导向柱子组成。

CIE 1931XYZ表色系统也是CIE标准表色系统之一，是以加法混色原理为基础发展而来的。该表色系统是将红、绿、蓝三原色按不同比例相配后，可产生所需的所有颜色；而X、Y、Z曲线则能分别与能量光谱刺激值所需要的红、绿、蓝三原色的量相匹配。其中Z值表示颜色的明度，X、Y表示彩色度，色度图的中心为无彩色，越靠近边缘表示彩度越高。

1.2 系统方案设计

导航主机、输入设备、GPS天线等是降落伞速度和控制系统重要组成部分。降落伞导航控制系统如图1所示。系统的核心是导航主机，包括MCU单元、GPS接收机、I/0单元、电源变换单元等部分，它的主要功能：

（1）接收到GPS信号并且进行准确的定位，得到运动状态和位置等信息；

（2）实现航偏角计算，反推当前点与目标点距离和方位角；

（3）将结果输出到单片机，控制降落伞的飞行。

图1 降落伞导航控制与速度测试系统框图

起飞前，将目标点位置输入到ROM中。降落伞投放后，系统会立刻连接电源，GPS进行定位并且存储速度信息用于后期处理。导航主机与GPS相连，从而得到当前位置的经纬度和运动状态等相关位置信息，并与ROM的经纬度比较，推算距离和方位角，结合降落伞的运动状态最终计算出偏航角。把偏航角的信息输出到调节机构控制器进行处理，从而改变降落伞的速度，调整降落伞姿态，完成实时的自动控制。

2 精准空投自动化系统设计

单片机的全称是单片微型计算机。单片机功耗低、体积小、价格低、抗干扰能力强、开发使用简便，自20世纪70年代问世以来得到了非常广泛的使用。微型计算机发展逐渐形成两大方面，一是PC机，主要用于处理高速数据，兼顾控制等功能。二是单片机，主要用于控制领域。根据设计要求，本文选择AT89C51单片机作为控制对象的核心[4]。

2.1 系统硬件设计

（1）GPS模块的选择

选择GPS模块，主要考虑该模块支持何种通讯协议、控制接口如何以及大小重量、耐高温耗电情况等等。目前，大部分GPS模块采用C/A码，支持16通道，定位更新速率高达4Hz。本文选择LEA-5H作为本设计的GPS卫星数据采集模块。通过外接的有源天线将接收来的高频信号送到GPS模块的RF端口，经过运算处理后将定位数据通过串口传送给上位机[5]。

（2）单片机控制模块设计

89C51单片机功能强大，自带4K可编程可擦除只读存储器，具有低电压高性能的8位微处理器，与普通的C51具有相同的内核，并且支持C语言源程序的调试，开发较容易。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。本文采用89C51作为数据终端的主控芯片。主要使用了89C51的以下功能。

第一，灵活运用两个全双工串口，两个串口的波特率是独立设置的。串口1经过SP3223E电平转换芯片与PC机进行信息交换，串口0与GPS模块相互连接，实现与接收机的通讯；第二，JTAG接口与用户系统直接连接，无需其他的仿真软件，可以实现在线调试和下载；第三，运用64K大容量闪速存储器ROM。64K flash ROM已满足设计要求，程序存储器不用再扩展。数据存储器是数据缓冲区，从实际考虑出发扩展了一片容量为8K的数据存贮器芯片6264。

此外本模块还包括RS232C串口模块、稳压电源模块设计、天线的选取、电源供电模块设计以及RS232串口模式设计。RS232C串口模块采用SIPEX公司的SP3223E模块。SP3223E主要功能是连接单片机和PC机，实现电平相互转换。

本文采用稳压电源芯片S1112，能够保证数据终端工作可靠稳定。S1112是运用CMOS技术开发的具有低压差、低消耗电流、高精度等优点的电压稳压器。因内置了低导通电阻晶体管，所以电压差低，并且能够获得较大的输出电流。为了使负载电流不超越输出晶体管的电流限额值，内置了过载电流的保护电路。此外，为了延长电池的使用寿命还内置了电源开/关控制电路。

由于天线的做法以及原理相对比较复杂，所以有源天线内核技术含量比较高且涉及到硬件调试和高频。一般选用天线增益约27dB，噪声系数约l.5dB。本文选择成品天线3V供电有源天线。通常有源天线水平放置，如果需要其角度的改变，则需要做更为详细的考虑。有源天线的电压由GPS模块提供，在GPS模块的RFIN端接一个10Ω的电阻，连接到Vee ANT端就能实现GPS对有源天线的供电。

5V转3V的五脚LDO是供电电源稳压电路模块。对电压稳定方面精度要求较高，输出纹波须在50mV以下，电流在150mA左右，因此选用SOT23-5封装的TPS76130（3.0V）来满足电源供应的要求。TPS76130稳压精度高、压差小、省电，并且输出纹波很小，对整机的信号干扰小。为了得到稳定的输出电压，使+5V和+3V电源输出端纹波小，因此分别接了两个容值不等的电容，从而防止纹波电压产生干扰，具体供电电路如图2所示。后备3V可充电微型电池则在数据保存时使用，能够减缓GPS的启动时间和记录GPS的启动参数。由3V的电压经过二极管对后备电池进行充电续航，通常可以保存几个小时的数据存储[6]。10h后，后备电池电量被用完，保存数据就会丢失。

配置后备电池，主要是为了模块的温启动和热启动。其中模块的热启动在信号较好的情况之下，1～3s就能够快速定位。温启动是指由后备电池提供备份，在2h内重新启动。温启动速度介于冷启动与热启动之间，但一般状况下远好于冷启动。环境、气候、干扰等各种因素都会影响启动时间。由于GPS启动需要较好的环境条件，在信号较差的情况下启动时间较长，热启动就变得非常重要，因此备用电池就显得举足轻重。

图2 电压转换电路

RS-232串口模式选择的芯片是MAX3232，从而实现直接和单片机对接。因为MAX3232的工作电压为+3V左右，所以可以从稳压芯片上提取稳定的+3V电压。此种设计方法可以更加保证RS232芯片的运行安全。串行口与PC机接口电路图如图3所示。

图3 串口电路

3 系统软件设计

3.1 主程序流程设计

精准空投的控制主程序的流程图如图4所示。螺旋桨装置通电后，单片机上电。开始空投后，空投装置进入工作状态，完成GPS数据接收—单片机程序控制—电机开始工作—刷新数据的循环过程。

3.2 GPS信息提取

本系统中的GPS通信模块遵循NMEA0183协议格式，提供串行通信接口，其通信参数见表1。

图4 主程序流程框图

表1 GPS通信模块通信参数

经纬度及其方向、GPS定位的状态和信号接收时间等都是从“GPRMC”帧中获得，所以只需对“GPRMC”帧进行处理就可以提取出数据。NMEA0183协议还有其他的一些帧格式，但并不常用。如果遇到特殊情况，需从其他帧获取数据，处理方法完全与处理“GPRMC”帧相似。获得一个完整的GPS帧数据后，按照NMEA0183协议确定的数据格式提取出所需要的位置信息。因为“GPRMC”帧内数据段之间是用逗号隔开的，所以在进行处理数据时需先查找ASCII码“$”来判断是不是帧头；从帧头开始读取数据直到回车符结束，整个过程中通过对逗号个数进行计数从而判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相关的数据处理。

4 实验验证

初始化阶段对单片机、GPS模块进行初始化，单片机要设置成串口工作模式，并且通过RS232接口与GPS连接，波特率设置为4800b/s，完成GPS模块串口的通信工作。数据传送采用异步串行的方式。GPS数据读取可分为三个过程：串口通讯、数据信息提取、坐标转换。首先程序将从串口接收到GPS信息送入到串口缓冲区，再按一定时间间隔读取串口缓冲区中GPS信息数据，并判断GPS数据是否符合所需要求，若符合，则从数据中提取相应数据信息，存入相关结构体中，实时显示当前位置并且调整螺旋桨的转速与偏角。

通过Protues与keil联合编译模拟降落伞降落，GPS实时刷新数据。经过验证可知，该系统能够实时的输出距离目标点的方位角和距离，方位精度高于1°，距离精度高于lm；输出的频率是1Hz，定位精度高于30m；通过优化程序，使单片机因计算产生的延时小于5s；GPS测速的数据采样率为1Hz并且可连续保留1h以上的数据。