四川信息职业技术学院　黄　超　殷万君　徐　斌　杨　波



nin无人机保护伞电路控制系统

四川信息职业技术学院黄超殷万君徐斌杨波

本文所述的是一种无人机保护伞的控制系统，该系统具备无人机坠机状态下自动弹出保护伞和地面强制打开保护伞两个功能，同时在打开保护伞前关闭正处于高速运转电机。该系统主要以stc15w4k56s4为主控芯片，adxl345为姿态算法传感器，再通过相关外围电路，驱动舵机来触发保护伞的弹射开关，程序算法部分简单明了，经测试稳定性能较好，外围电路还有led提示功能，预留多个接口用于扩展。

无人机；保护系统；保护伞

1.背景

微小型多旋翼无人机具有机械结构简单、成本低、重量轻、可低空速飞行、可垂直起降、无人员伤亡危险等优点，可以广泛应用于气象勘测、航空摄影、灾后救援、收集信息、精细农业等领域［1-4］。随着无人机应用的不断深入，不同领域与无人机技术不断融合，不同的一些设备，如航拍、摄影、科研、气象等相关设备，将会成为无人机搭载的载体。［5-6］为此，设备的安全成为无人机应用领域的一个重要的亟待解决的问题，目前现有市场上常见的保护系统主要为弹射式保护伞，本文主要基于弹射式的保护伞，研发了一种基于stc15w4k56s4为主控芯片，adxl345为姿态算法传感器的保护伞触发电路控制系统，该系统通过传感器获得机身姿态算法，通过算法判断飞机是否处于坠机状态，再通过舵机触发弹射保护伞系统。本文提出的简单倾斜姿态算法，经测试稳定效果较好。

2.项目内容

项目主程序部分主要包含遥控器信号检测和旋翼机姿态检测两部分，当遥控器强制打开或者判断旋翼机处于坠机状态时，本系统便通过发送舵机控制指令触发保护伞弹射装置。本系统主函数部分主要代码如下：

Void main（）

｛

While（1）

｛

gesture（ ）；//姿态检测

telecontroller（ ） ；//遥控器强制触发检测

｝

｝

姿态检测使用的是adxl345重力加速度传感器，该传感器模块与单片机采用SPI通信，本项目通过无人机姿态来判断是否处于坠机或失控状态，继而产生一个舵机控制信号，使舵机产生一个机械动作触发保护伞弹射装置。本项目中要求是当旋翼无人机翼面倾角大于45°时表示处于坠机状态，因此需要判断的是旋翼无人机翼面的水平倾角，adxl345传感器 Z轴的偏离中心位置的参数刚好可作为旋翼无人机静态偏离中心轴角度相关的参数。但是adxl345主要用于采集静态状态下的倾斜参数，而无人机是一个运动的物体，且抖动频率较大，还有运动方向及速度大小都不定，基于这样一种复杂的运动状态下，所采集的参数必须做相关算法处理才能准确得出无人机姿态倾角情况。由于数据是360°三维的采集，adxl345的Z轴数据主要变化范围-1000-1000，综合采用的MCU为8位单片机，且判断机身的姿态不需要那么精确数据，所以在计算时将采集的数据均缩小10倍再取整，即变化范围为-100-100，为了进一步便于数据处理，数据每次叠加一个常数N=120，所以采集的数据360°内变换范围对应输出数据为范围为20-220，为了方便实测旋翼无人机飞行中的反馈参数，本系统将采NRF24L01作为无线通信模块，将采集的参数及时反馈到电脑端进行处理，电脑端采用自行设计的图表软件，直观快捷判断飞机姿态。设每次读取的adxl345参数为x（t），t为对应采集周期下采集的序号，如：假设设置数据采集周期2ms，x（6）表示采集的第六个数据，图1为采集周期2ms时候的x（t）- t的图像。

图1　采集周期T=2ms，x（t）值

从图可以看出，一般状态下，无人机飞行过程中，由于飞机自身因素及外界干扰，或者传感器自身噪声，传感器的采集参数具有一定波动性，有时候出现奇点，有一定离散型，为此，我们提出一种简易的滤波方案。将连续采集的n组数据中，最大值与最小值均去掉，取剩余值的平均作为本次采集的反馈值，即：

取同样采样周期，n=12测得反馈数据如图2所示：

图2　采集周期T=24ms，值

通过反馈结果来看，数据由于系统干扰或者噪声引起的奇点问题已经解决，数据滤波整形后呈现相对稳定的图像。不过该结果还不能直接用于作为判断飞机坠机状态下的直接参数，假设是由于无人机急速运动或者大风干扰，短时间影响了飞机姿态。为了过滤点该种情况，本文采用延时判断法进行进一步判断，假设延时为m毫秒，45°边界触发点对应传感器触发参数为K，gesture（ ）核心算法如下：

通过以上多重延时判断，增加系统稳定性，当判断每次均处于坠机状态，表明无人机处于坠机状态，打开舵机触发信号，触发保护伞弹射装置。

对于遥控器强制打开保护伞功能函数telecontroller（ ）的设计，根据舵机的控制信号规律，其控制周期为20ms，占空比高电平为1ms-2ms为有效控制指令，对应舵机0-180°旋转［7-8］，旋翼机接收机每个通道一般发出的默认信号就是周期20ms占空比高电平为1ms的指令，所以telecontroller（ ）主要用以检测高电平是否在1ms-2ms之间，且指令周期为20ms，本系统设置，当连续出现三个连续的拨动开关脉冲时表示强制开启触发装置。

3.结论

本文提出的设计方案，可以较可靠的激发无人机保护伞弹射系统，及时保护旋翼失控无人机。该系统结构简单，体积小，成本低，也适合搭载及应用。

［1］陈迎春，宋文滨，刘洪民.用飞机总体设计（第一版）［M］.上海:上海交通大学出版社，2010:237-45.

［2］许维进，刘志敏.重心位置对飞机阻力及其飞行性能的影响［J］.飞行力学，1999，17（1）:54-58.

［3］Zhang Chongjun，Lai Yinan，Zhang Guangyu.Zerogravitysimulation technique of five freedom docking tested［A］.Proceedings of the Aerospace Conference［C］.2004，IEEE.V6.2004.4048-404.

［4］张永宏，焦凯，王伟.旋翼无人机的偏航控制系统设计［J］.制造业自动化.2015.37（8）:143-145

［5］鲜斌，刘洋，张旭等.基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制［J］.机械工程学报.2015，51（9）:58-60.

［6］唐强，朱志强，王建元.国外无人机自主飞行控制研究［J］.系统工程与电子技术.2004.26（3）:418-4200.

［7］付丽，刘卫国，伊强.单片机控制的多路舵机用PWM波产生方法［J］.微特控制，2006.2:32-34.

［8］郭洪红，刘长青，席巍.一种基于STC单片机的舵机测试器的设计［J］.仪器仪表装置，2012（5）:17-19.

四川省教育厅重点项目（15ZA0379），信息学院支撑项目（川信职院科［2015］5号）。

黄超（1987—），男，四川乐山人，硕士，助教，主要从事物联网及无人机方面的研究。