一种无人机安全性检测系统的设计方案

韩浩东，薛俊杰，牛鹏锴，谢文杰，李雪晴

（1.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京，211106；2.哈尔滨工业大学（深圳） 电子与信息工程学院，广东深圳，211106；3.南京航空航天大学长空学院，江苏南京，211106）

0 引言

无人机这一概念最早在20世纪出现，由于当时技术落后，无人机系统事故频发，并未得到重视。随着技术的发展，无人机相关的技术快速更新，逐渐在生活和军事领域有了大规模应用。近年来，由于管控、审核制度不完善，各种各样的无人机未经审批随意在空中试飞，造成了许多事故，对地面人员的安全与财产造成了不良的影响。因此，本文在在充分研究国内外无人机系统安全性相关研究和工作的基础上，构建一种无人机安全性检测系统的设计方案。

1 系统的总体规划

无人机安全性检测系统主要包括无人机部分，数据链路部分以及地面站系统，经设计的无人机安全性检测系统示意图如图1，相关说明如下。

图1 无人机安全性检测系统示意图

无人机部分主要包含有无人机，飞控计算机，机载传感采集终端与各种机载传感器。无人机的主要功能是搭载传感模块与飞控计算机执行任务，飞控计算机的主要功能是对无人机的电机进行控制，从而改变无人机的航向以及飞行速度，机载传感器采集终端与传感器的功能主要是采集各传感器信息。

数据链路部分采用数据传输模块进行无人机与地面站之间的数据的上传与命令的下达。

地面站系统主要包括操控控制台，显示台，协议处理单元，数据传输模块，天线与供电系统。操控系统用于控制无人机的飞行状态；显示台用于显示无人机的状态信息；协议处理单元用于解读与无人机之间的通信数据帧；数据传输模块用于传输数据帧；供电系统用于给地面站中的各个部件进行供电。

2 硬件设计

硬件设计主要包括无人机选型，飞控计算机选型，传感器选型，机载数据传输模块设计与机载传感器采集终端设计。

无人机主要分为固定翼以及多旋翼。固定翼类型的特点是工作时间长，抗风性能好，但其缺点是市面上上不常见，价格贵，同时操作不易。与之相反，多旋翼无人机的优点是操控造价相对低廉，市场中常见的也多为多旋翼无人机。考虑到设计需要，最终选用四旋翼无人机。

在本设计方案中，通过考虑决定无人机采用ZD680机架（ZD680 代表轴距680mm），采用此机架的原因是四旋翼无人机的轴距越大，无人机飞行越稳。电机方面，采用致盈动力x3508电机，同时采用 1555型号桨。通过查阅电机参数，按电机功率 60%进行计算，一个电机拉力为 0.92KG，总拉力为3.68KG，市场中的采用该机架的无人机自重约为 2KG，因此保守预计无人机载重可达1KG以上，能够满足设计需要。电池方面采用 8000MAH 6S 22.2V 的电池给无人机进行供电，同时配有分电板，能够将电池所提供的电压转换为 5V 或12V。

市场上可选的飞控计算机较多，考虑到无人机操控的安全性，本设计中采用PIXHAWK飞控。PIXHAWK 飞控是在APM飞控上进行改进，延续了APM飞控中的优点，这款飞控计算机采用了双处理器，强大运算的32位STM32F427芯片以及 32位STM32F103协处理器，满足了更复杂的代码算法运算处理。将设置好的飞控计算机代码烧写进飞控计算机中，同时配有所需的传感器用于感知飞机的状态信息，当飞控计算机解锁后进行系统初始化，接着读取各传感器的信息，如姿态传感器的姿态信息，定位模块的位置信息，根据传感器所采集的信息解算出无人机的飞行姿态。之后接收控制台所传输的控制信息，解算出用户期望的飞行姿态，与实时姿态进行对比，将获得的差值放入PID调节器中，最后根据结果进行无人机电机的控制。

根据需求得知需要采用压力传感器模块测量压力高度，采用姿态传感器测量飞机姿态信息，采用定位模块测量无人机位置以及指示空速。①压力传感模块采用 MS5611-01BA 模组。②姿态传感模块采用GY-25倾斜度模块，该模块内部集成了MPU6050芯片，将其测量的模拟量，如俯仰角等转化为可输出的数字量，通过 USART，向外部输出姿态解算后的数据。③定位模块采用 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块，该模块通过串口，利用 ASCII 码的方式输出模块所采集到的各项信息。通过解读所传递的 ASCII 码，可获得各个卫星提供多种信息。

机载传感器采集终端主控芯片选用STM32F103RBT6芯片，该芯片有3路异步串行接收口，2个同I2C 接口，2个串行外设接口，同时还提供有CAN 接口， USB 接口等，功能强大。芯片的供电电压为3.3V，设计供电原理如图2所示。

图2 供电设计图

3 软件设计

软件设计主要包括机载传感器采集终端程序设计与地面站显示台程序设计。机载传感采集终端程序流程图如图3所示，流程图说明如下。

图3 机载传感采集终端程序流程图

程序首先进行接口初始化，接着获取 GPS 模块提供的信息，如高度信息，速度信息和位置信息。再获取压力传感器模块信息，如压力信息与温度信息。最后获取姿态模块信息，如偏航角，俯仰角和翻滚角。将所获取的数据进行整理打包成一帧的字符串，通过串口1再上传给地面站。之后，再次重新获取传感器信息，整理打包数据，继续上传，如此循环。

（1）接口初始化

接口初始化包括串口初始化， I2C 初始化，延时初始化以及 LED 初始化。串口初始化，I2C 初始化以及 LED 的初始化主要是设置单片机的 GPIO 输入或输出方式，使能 GPIO上的时钟，为之后的工作进行准备。延时初始化主要是确定外部时钟，准备好定时器。

（2）获取姿态模块信息

姿态模块传递的信息包括偏航角，翻滚角与俯仰角，具体说明如下：首先控制板发送 AT 指令请求获取数据，然后串口等待是否有数据返回，若没有则继续等待数据。采集到数据后对数据进行一个解析，取出所需的偏航角，翻滚角与俯仰角并保存这些数据。

（3）整理打包所获取数据并上传

将所保存的数据取出，放入字符串中，同时采用标点符号将不同类型的数据隔开。将即将发送的字符串通过串口1，逐个字节地发送出去。

地面站系统中的显示台是通过QT搭建于电脑中。由地面站功能需求分析可以知道，地面站系统显示台需要能够获取无人机一系列状态信息。所需要的端口号可由地面人员自行进行设计，确认端口号后再将其设置到传感控制模块的ESP8266内即可。接收信息窗口中，用于记录和展示搭载于无人机上的传感控制模块所发送的数据链。对这些数据链进行解析，就可以得到无人机的状态信息信息，同时这些信息也有展示在显示台相应的框中。发送消息窗口仅在测试显示台与传感模块数据通信时使用，系统正常运作时发送窗口并不使用。而地面站系统中的控制台为一个远程遥控器。地面人员利用遥控器通过 WIFI 将指令传输给无人机。

4 实验测试

试飞准备：将所研制的传感系统装在所购买的无人机上，利用束扣，胶带等捆绑物件将飞控计算机，机载传感采集终端等硬件固定在无人机上，避免无人机试飞时机载设备出现损毁的情况。

地面站功能验证：到学校操场进行无人机试飞，验证地面站系统的功能可行性。最终结果与预期一致，地面站系统能够正常工作，接收无人机所下发的数据信息，同时地面站系统也能够对无人机下达动作指令，进行无人机的操控，显示台测试结果如图4所示。

图3 车牌定位、分割和识别结果

图4 实验中显示台工作页面

5 结论

本章根据无人机安全性检测系统的功能性需求，对无人机安全性检测系统进行方案设计，之后详细设计了无人机安全性检测系统中的硬件部分与软件部分，最终成功研制了一种无人机安全性检测系统。同时，进行无人机试飞，成功测得了无人机实时传回的数据，并显示在地面站显示台上，用于检测无人机的安全性，并且能够控制无人机飞行姿态，防止在测试过程中出现事故，成功验证了所研制的无人机安全性检测系统的功能符合预期要求。