伏勛, 任曉明，賈永興,羅楨，高華平

　　（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

       摘要：為能全面實時地采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，設計了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)。本設計采用Freescale K60微控制器作為主控芯片，MPU6050慣性測量傳感器和AK8975三軸磁羅盤作為慣性導航單元，使用PID控制算法并以PWM方式驅(qū)動三相無刷電機，從而控制四軸飛行器飛行姿態(tài)。通過2.4 GHz和5.8 GHz頻段將采集到的溫/濕度、PM2.5/PM10濃度、攝像頭采集圖像等信息傳輸?shù)娇刂婆_。經(jīng)測試，該系統(tǒng)滿足不同環(huán)境下及時采集數(shù)據(jù)、有效視頻監(jiān)測的要求，對實際現(xiàn)場監(jiān)測有一定的應用價值。

　　關(guān)鍵詞：四軸飛行器；環(huán)境信息采集；K60微處理器

　　中圖分類號：TP27文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.028

　　引用格式：伏勛, 任曉明，賈永興，等. 基于K60的四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用，2016,35（23）：96-99.

0引言

　　近年來空氣污染引起了公眾的熱議，如何有效、及時地處理空氣污染問題成為焦點。本文基于環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集，設計了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)。傳感器技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，尤其是微電子和微機械技術(shù)的逐步成熟，使四軸飛行器的自主飛行控制得以實現(xiàn)，并成為國際上的研究熱點［1］。

　　文獻［1］ 采用STM32系列32位處理器作為主控制器，使用ADIS16355慣性測量單元等傳感器用于姿態(tài)信息檢測，使用PID控制算法進行姿態(tài)角的閉環(huán)控制。文獻［2］ 采用 STM32作為主控芯片，三軸加速度傳感器MPU6050作為慣性測量單元，通過2.4 GHz無線模塊和遙控板進行通信，最終使用PID控制算法以PWM方式驅(qū)動電機實現(xiàn)了四軸飛行器的設計。文獻［3］采用 ARM處理器控制無刷直流電機，并且通過加速度傳感器和陀螺儀的反饋數(shù)據(jù)進行飛行器的平衡控制和姿態(tài)調(diào)節(jié)。

　　本文設計了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)，以K60微處理器為核心，采用慣性測量模塊MPU6050姿態(tài)獲取技術(shù)，搭建四軸飛行器控制系統(tǒng)。設計包括四軸飛行器控制、環(huán)境信息采集、控制臺三部分。其中，四軸飛行器采用人工遙控控制；環(huán)境信息采集以模塊化為主，將圖像、溫濕度、PM2.5和PM10各個模塊進行數(shù)據(jù)采集顯示輸出；控制臺負責數(shù)據(jù)交互與遙控。

1系統(tǒng)設計方案

　　根據(jù)四軸飛行器實際的飛行需求和設計要求，系統(tǒng)采用主控單元K60采集環(huán)境信息，處理由溫濕度檢測模塊、PM2.5/ PM10檢測模塊反饋的數(shù)據(jù)，并在參數(shù)顯示器上顯示；TS832發(fā)射端將攝像頭采集到的圖像信息通過工作頻率5.8 GHz無線傳輸?shù)竭b控器上的RC832接收端，并反映到圖像顯示器；領(lǐng)航者飛行控制器采用STM32F407VG芯片控制算法求解電機轉(zhuǎn)速，連接T6EHPE接收機，通過2.4 GHz頻段與遙控器進行無線傳輸，由遙控器操作四軸飛行器執(zhí)行相應指令，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)整，進而實現(xiàn)姿態(tài)控制。系統(tǒng)設計框圖如圖1。

2硬件設計

　　2.1四軸飛行控制器

　　四軸飛行控制器的核心有MPU6050慣性測量傳感器、AK8975三軸磁羅盤、MS5611高精度氣壓儀。MPU6050慣性測量傳感器驅(qū)動方式采用I2C接口，時鐘引腳 SCL連接到控制器的PB6，數(shù)據(jù)引腳連接到控制器的PB7，數(shù)據(jù)中斷引腳連接到控制器的PD7，其硬件原理圖如圖2所示。

　　AK8975三軸磁羅盤帶有高敏感度霍爾傳感器，通過增強信號處理器體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)寬動態(tài)測量范圍和低電流消耗，不需外部時鐘［4］。

　　MS5611高精度氣壓儀由壓阻傳感器和傳感器接口組成，將測量的補償模擬氣壓值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成24位數(shù)字輸出，采用I2C串行接口，串行時鐘SLCK和串行數(shù)據(jù)SDA與外部控制器進行數(shù)據(jù)傳輸［5］，其硬件原理圖如圖3所示。

　　設計選用F450型號的四軸飛行器機架，該飛行器載重量大、穩(wěn)定性強、加裝區(qū)域大、姿態(tài)控制簡單。四軸飛行器采用人工遙控控制，通過飛機前部攝像頭，將拍攝的影像傳給遙控器，并在顯示器上顯示，有利于操作人員對飛行器做出正確控制。

　　2.2環(huán)境信息采集

　　2.2.1圖像信息的采集

　　本系統(tǒng)采用700線攝像頭、TS832發(fā)射端和RC832接收端，攝像頭模塊拍攝現(xiàn)場狀況，反饋到機架上的圖像收發(fā)模塊，通過5.8 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的圖像收發(fā)模塊，反映到圖像顯示器（4.3英寸）上。圖4所示為四軸飛行器飛行過程中拍攝到的一張圖像。

　　2.2.2溫濕度檢測模塊

　　本系統(tǒng)采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，傳感器包括一個電阻式溫濕元件和一個NTC測溫元件，并且與一個高性能的8位單片機相連接。

　　通過溫濕度檢測模塊來檢測環(huán)境中的溫濕度，通過K60單片機來處理傳感器反饋的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的環(huán)境參數(shù)顯示器上，得到某一天的溫濕度數(shù)據(jù)如表1。

       2.2.3PM2.5和PM10濃度采集

　　本系統(tǒng)采用SDS011激光PM2.5傳感器，能夠得到空氣中 0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，對PM2.5濃度及PM10濃度進行檢測。其具有數(shù)據(jù)準確、響應快速、集成度高、分辨率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、數(shù)字化輸出等特點［6］。

　　通過SDS011激光PM2.5傳感器來采集環(huán)境中的各種參數(shù)，經(jīng)K60單片機處理傳感器反饋的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)竭b控器上的環(huán)境參數(shù)顯示器上。得到幾組PM2.5和PM10濃度的日變化數(shù)據(jù)，如表2所示。將測得數(shù)據(jù)與當?shù)貧庀缶直O(jiān)測數(shù)據(jù)作比較，其PM2.5有±1.2%偏差，PM10有±2.4%偏差，測量結(jié)果準確度較高。

　　2.2.4顯示反饋數(shù)據(jù)

　　本系統(tǒng)采用0.96英寸OLED液晶屏連接到K60芯片上，實時顯示數(shù)據(jù)，如圖5所示。

　　2.3控制臺

　　控制臺部分的研究涉及到遙控、OLED顯示、圖像顯示、無線數(shù)據(jù)傳輸。OLED顯示和圖像顯示已在環(huán)境信息采集中介紹。數(shù)據(jù)無線傳輸選用nRF24L01+無線接收模塊。nRF24L01+是一款工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。其擁有極低的電流消耗：當工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。nRF24L01+模塊和K60單片機的連接圖如圖6所示。

3軟件設計

　　系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，使用IAR開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便。基本程序模塊有溫濕度采集模塊、PM2.5/PM10采集模塊、OLED顯示模塊、nRF24L01+無線收發(fā)模塊等，各個模塊既能獨立地實現(xiàn)各部分功能，又可以共同工作達到系統(tǒng)的設計要求。

　　3.1數(shù)據(jù)發(fā)送

　　主控芯片K60按照中斷時間間隔向DTH11溫濕度傳感器、PM2.5傳感器發(fā)送起始信號，將讀出的溫濕度、PM2.5/PM10等信息進行整理校驗后，通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給控制終端，數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖7所示。采用定時器中斷的方式完成采集任務，本設計采用每2 200 ms PIT0中斷一次，采集一次數(shù)據(jù)。由于時間間隔較短，各傳感器的數(shù)據(jù)顯示不斷更新，從而能夠?qū)崟r檢測到各環(huán)境參數(shù)的變化情況。

　　3.2數(shù)據(jù)接收

　　在中斷時間到達后，K60主控芯片發(fā)送指令，nRF24L01+模塊接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)正確，則進行OLED顯示，否則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收程序設計流程圖如圖8所示。

4結(jié)論

　　本文介紹了四軸飛行器環(huán)境信息采集系統(tǒng)的設計，提出了系統(tǒng)的整體設計方案，并分別對系統(tǒng)的軟硬件進行設計。系統(tǒng)以K60為主控制器，通過2.4 GHz和5.8 GHz無線模塊進行通信控制，通過MPU 6050進行姿態(tài)獲取，使用反饋控制算法進行電機控制。安裝調(diào)試后，驗證了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)四軸飛行器的姿態(tài)控制；攝像頭正常拍攝影像且實時發(fā)送給遙控端接收器；飛機在飛行時能夠采集環(huán)境中的溫度、濕度、PM2.5、PM10等信息，并且能夠通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)娇刂婆_。

　　參考文獻

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