基于stm32的探空火箭航电设备模块化设计

王硕

摘 要 本文主要论述了小型探空火箭的航电设备的设计。介绍了一种基于stm32单片机的模块化系统。该系统主要完成探空火箭在飞行过程中的数据记录与测量，并且完成其他所需功能的开发，利用模块化思想实现可以按需携带模块实现不同功能。

关键词 stm32 探空火箭 模块化

由于军用火箭制造成本高昂，我校航天学院和其它與火箭技术相关专业的学生在校学习期间一直缺乏火箭工程技术方面的实践锻炼。而工程实践对学生切实领会课堂所学，锻炼基本的机械加工和电器制作技能，培养良好的工程素养和工程设计灵感至关重要。中小型探空火箭由于不采用昂贵的导航制导与控制系统，因此设计及制造成本低廉，系统复杂度低，但探空火箭其设计规律与大型运载火箭系统和军用火箭系统基本相同。亲自参与设计和制作探空火箭是高校火箭技术相关专业学生进行工程实践锻炼的有效手段。

该项目以此为背景，意在以已经成功的无控火箭平台为基础，加入可选多功能航电系统，以满足不同任务作业之需要，同时也从体积和成本等方面进行考虑，减小体积实现整套产品的集合，并且降低整套航电设备的成本，为后期实现可控火箭的航电设备打下坚实的基础。

国内很多大学和研究机构纷纷开展了以本科生为主或者有本科生参与的小型火箭设计与研制工作。西北工业大学航天学院在2015年的暑假开展了与德国布伦瑞克工业大学合作的火箭制作交流活动，参与此次活动的大部分是大三、大四的本科生以及几名研究生（其中该项目组的三名成员参加了这次活动），自制作发动机（包括壳体和燃料）、火箭箭体以及利用3D打印技术打印箭翼和头锥，经过5天的努力，航天学院的30多名学生共制作了5枚小型探空火箭并成功发射。

除此之外，北航和国防科技大学也开展了小型探空火箭的试验计划项目，北航早在2006年就已经发射了第一枚由本科生设计的小火箭，之后又发射了一系列由学生设计的不同功能的小型火箭。国防科技大学依托于湖南省和学校本科学员创新性实验计划项目、学校研究生创新实践基地等条件，逐步形成了一套完整的小型火箭实践流程和体系。

引导和支持在校学生设计和制作小型探空火箭，是西方发达国家航空航天类高校长期以来一直坚持的工作。欧美航空航天类大学多设有包括探空火箭技术社团在内的大量专业学生团体，且历史悠久，技术水平甚至接近正规科研机构，为该国航空航天创新人才的培养做出了巨大贡献。以德国布伦瑞克工业大学ERIG火箭协会为例，该协会是德国著名火箭技术社团，协会成员有该校学生和教职工，有德国宇航院和大众汽车公司的资深工程师，也有来自工厂的熟练技术工人。布伦瑞克工业大学、德国宇航院和欧洲工业企业对该协会提供了大量赞助。ERIG协会在探空火箭设计和制作方面拥有较高的水准，尤其在固液混合发动机和碳纤维箭身制造技术已达到专业水平。

基于无控火箭制作成功的经验，项目拟通过stm32微控制器作为数据处理传送核心，串接多种航电设备，使之具备数据校准清零、飞行数据采集及存储、高空拍摄、伞降回收等功能，并能够按照任务不同选择相应的功能模块。航电模块拟通过购买成品完成，需要项目组自行完成电路搭接以及各模块间功能程序的编写。详细研究内容如下列出：

（1）基于之前的制作经验，我们发现在发射前需要对航电设备进行校准清零，而且方式非常麻烦，误差很大，我们计划通过预留好接口实现在发射前可以方便进行校准。

（2）利用惯导组件和GPS组合导航的方式进行飞行数据的采集

（3）通过stm32单片机将采集的数据保存到SD卡中，考虑到以后的发展，需要记录的数据会很大，所以我们直接选择了SD卡作为储存元件。

（4）降落伞开伞方案选择延时开伞方案，从火箭起飞开始计时，定时完成后点燃开伞发动机。发射之前通过仿真取得开伞的最佳时间。

（5）功能任务模块有通过摄像机记录飞行过程和利用PM2.5探测器实现高空雾霾监测，后续还会增加其他功能模块。

（6）通过产品设计，实现整套航电装置的包装，通过3D打印技术打印产品外壳，并实现设备到箭体的方便安装拆卸。

该项目的系统组成图5如下：

项目的研究领域为硬件电路搭接以及相应程序编写。以stm32微控制器作为数据处理及模块控制中心，通过连接多种航电设备，使之具备数据校准清零、飞行数据采集及存储、高空拍摄、伞降回收、环境监测等功能，能够根据任务的不同选择搭载不同的功能模块。航电模块拟通过购买成品完成，需要项目组自行完成电路搭接以及各模块间功能程序的编写，具体如下：

（1）利用惯导组件和GPS模块测量火箭在飞行过程中的飞行数据，并通过stm32微控制器将数据保存到SD卡中。（已基本实现）

（2）开伞控制方案采用定时控制，当定时程序结束后，微控制器的某个IO引脚输出点火信号，将开伞发动机点燃。

（3）模块化设计：为了适应各种任务需求，提高航电设备的可移植性，通过给其配备不同的载荷从而适应不同的任务需求，比如照相机、PM2.5测量仪等，并在箭体上设置开关，便于进行功能选择。