一种采用红外制导的智能飞行器设计

蔡昕翰 戴晟伟 王子浩 林凡 阮玉镇

摘 要：提出了一种空中智能姿态调整飞行器的设计方案。该方案采用STM32F4系列芯片单片机作为主控制器，飞行器的设计结合了陀螺仪、涵道、舵机、红外线传感器等器件。该飞行器具有制导能力，可在空中调整飞行姿态。

关键词：红外制导;智能姿态调整;STM32F4单片机

0 引言

本项目来源于全国大学生机器人大赛ROBOMASTER机甲大师赛中的飞行器设计。机甲大师赛以机器人射击对抗作为比赛的主要内容，在比赛中，飞行器主要是通过击打距离28 m外的目标物来获得分数，目标物上有LED红外灯珠作为飞行器视觉识别的对象，比赛要求飞行器能够在ROBOMASTER机甲大师赛官方所规定的发射口发射后，依靠水平尾翼和垂直尾翼在空中调整姿态，平稳飞行，并且飞行器需要在接近目标时，检测到目标，并及时调整姿态，然后依靠惯性，对目标物进行打击，使目标物的压力传感器检测到飞行器。

1 设计原理

作为一种具有制导能力的飞行器，需具备能够追寻目标和改变自身运动的能力。该飞行器通过控制水平尾翼和垂直尾翼来调整飞行姿态，当接近目标时，通过飞行器前头的红外传感器感受光信号，及时调整姿态，使得该飞行器能准确击中红外目标。它通过调节水平尾翼的上下摆动产生升力抵消飞行过程的翻转矩，并通过垂直尾翼的左右摆动调节飞行器的偏转方向，以实现飞行器的飞行平稳可控。

设计目标：视觉识别LED红外灯珠击打距离28 m外的目标物。

1.1    红外制导的设计

放置在飞行器机头的摄像头如图1所示，通过红外反馈视觉信息，在快到达目标位置时，能够识别到特别的视觉信息，这时单片机需要另一套驱动程序来应对最后的制导。由于前面飞行器的轨迹未必会次次相同，所以需要保证飞行器可以在1 m范围内检测到目标，并且迅速调整姿态。通过多次测试并观察记录数据，多次进行程序的测试，最后实现在可允许的误差范围内精准制导。

1.2    姿态调整部分的设计

该飞行器通过调节水平尾翼的上下摆动产生升力抵消飞行过程的翻转矩，并通过垂直尾翼的左右摆动调节飞行器的偏转方向。以图2所示的陀螺仪反馈的角度作为输入数据导入PID控制函数来控制涵道的开关以及輔助翼面的舵机姿态调整。姿态调整将依据理论上的高度对应其角度和多次的实际测试来确定偏离的角度以及回调的速度。

2 系统设计

2.1    硬件设计

系统硬件以单片机为主体控制，连接供电装置、舵机以及涵道和红外装置等设备，具体框架如图3所示。

系统硬件主要由STM32F407VET6芯片、H219陀螺仪芯片、OpenMV模块、系统3.3 V供电、板载DC-DC5 V供电、外部输出DC-DC5 V、红外制导设备供电系统等部分组成。在有限的4 cm×6 cm面积内很大程度集成了飞行器所需要的功能元器件，同时保证各部分供电安全可靠。H219陀螺仪是为飞行器提供飞行姿态判断、调整依据的重要设备，它可以准确而迅速地提供航向角、横滚角以及俯仰角这3个重要数据。红外制导部分OpenMV4是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块。在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口。

2.2    软件设计

本程序采用C语言编程，编译环境为keil 5。其工作流程：对系统进行初始化，运行设定的击打控制方案，通过陀螺仪反馈的数据调整舵机和涵道的动作，接近目标后使用摄像头通过红外反馈视觉信息，在快到达目标位置时，识别到特别的视觉信息，这时单片机需要另一套驱动程序来应对最后的制导。飞行器确定击打到目标或撞击之后断电。程序流程如图4所示。

3 仿真与实验

3.1    MATLAB仿真

飞行器在飞行过程中会受到3个方向（Lateral axis，Longitudinal axis，Normal axis，在此依次简称x、y、z轴）的力与力矩，运用牛顿第一定律可得知3个方向的速度、角加速度情况。以Missle DATCOM为例得到必要的系数，然后基于MATLAB Simulink轨迹仿真，如图5所示，接着将DATCOM与CFD结果进行比对，最后得到Simulink轨迹仿真结果，如图6所示。

当做完轨迹仿真后，飞行器按照预定参数进行配置，制作出样机，就可以实现飞行器在空中的稳定飞行。

3.2    实验

3.2.1    飞行器实物图和设计图

图7所示飞行器的翼展为120 mm，机身长180 mm，垂尾高80 mm，预期重量150 g，目前重量144 g。翼型选用的是EPPLER 67，翼的弦长为100 mm，最大厚度为10.6 mm，前缘半径为38 mm。

飞行器的重心通过多次测试的结果筛选，基本确定在焦点以前的位置，但太靠前会导致飞行器机动性能下降。测试阶段使用的是较经济的3D打印件作为机身，测试完善后使用EPP泡沫材料通过开模制造机身，增加其受冲击载荷的能力以及使用的寿命。

3.2.2    实际测试飞行

飞行器可飞行的距离在0～20 m，预期命中率为100%，目前命中率为80%。测试时，将可识别的特殊灯条放置在距离飞行器发射架16 m的位置，固定在高1.2 m的平台上。根据需要，测试时应不断调节动力系统的大小，使飞行器在飞行到16 m时还保持有1.2 m的高度，并且需要预留给红外识别一段距离（0.5～1 m）的飞行时间，用来调节舵面以调整姿态并飞向目标，即需要在距离约15 m的地方识别到目标物。所以在无嵌入式控制的情况下，飞行器至少要飞到距离目标70%处，才可移交嵌入式调试。如图8所示的测试中还发现飞行器从起飞到降落的过程中出现了一次以上roll轴的翻转，降落的位置就无法控制，所以要保证飞行器在无嵌入式控制的前提下，空中的攻角保持在2°～20°以保持姿态平稳。

4 结语

本项设计是基于单片机对飞行器红外制导功能的开发，使用OpenMV红外模块、H219陀螺仪、涵道电机等设备与单片机进行交互形成一个智能飞行姿态调整的系统，拥有红外制导等功能。经测试，本设计红外制导准确，具有空中姿态调整灵活、迅速等优点。作为一种小巧灵活的飞行器，它可以去到人们难以进入的区域。在消防工作中，利用温度传感器及其他传感器，搭载可灭火的化学物品的制导飞行器可对指定区域进行快速灭火。

[参考文献]

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[2] 赵石磊，郭红，刘宇鹏.基于轨迹跟踪的线性时滞系统容错控制[J].信息与控制，2015，44（4）：469-473.

[3] 安乐，田甜，董勤鹏，等.CJ818飞机无线电通信、导航、监视综合系统[J].民用飞机设计与研究，2009（Z1）：131-133.

收稿日期：2021-01-04

作者简介：蔡昕翰（1999—），男，福建漳州人，研究方向：嵌入式开发。