基于STM32的無人機精準定位系統

畢慶生，田 浩，劉西安，楊圣敏，王益凡

（貴州振華群英電器有限公司（國營第八九一廠） 貴州 貴陽 550018）

1 引言

無人機由于其自身的諸多優點已經成為各國競相發展的熱點。目前市場上的無人機雖能夠在飛出出發點并且完成任務之后能夠實現GPS自動返航，降落到出發點，但是卻并不精準，只能降落在以出發點為圓心，半徑為一米圓周的范圍內。但是這遠遠不能滿足市場對無人機的降落精準性的要求，基于這一現狀，設計一套完善的無人機的定位系統是相當必要的。本文設計一種輔助系統來調整無人機在自動返航的過成中由于各種誤差所造成的降落偏離。

2 系統整體設計

針對上述無人機不能精準降落的現狀，我們提出一種解決的方案。由于Onboard SDK無人機開發平臺具有開放的通信協議，從而通過與無人機的飛行控制器進行通信來代替遙控器自主控制無人機的飛行。因此可以制作一塊能與無人機進行通信的機載設備，機載設備上裝備有單片機作為主處理器，藍牙接收模塊進行短距離通信，紅外發射器進行發射紅外定位信號。機載設備上的單片機一方面可以通過發出特定的PWM波來驅動紅外發射器發射定位信號。另一方面可以用于處理接受藍牙接收模塊接收到的定位信號，然后與無人機的飛行控制器進行通信，從而控制無人機的飛行狀態。同時在出發點設置一塊地面接收站，該接收站具體是制作一個以出發點為圓心，半徑為一米的圓盤，在圓盤的圓周上均勻分布著若干個具有特定接收頻率的紅外接收器，每個紅外接收器都與另外一個單片機通過IO口進行連接，同時該單片機的周圍還必須集成一個藍牙發送模塊來與機載設備進行通信，這一部分作為起到監控地面接收站的作用。當無人機自動返航到出發點上方一定距離的時候，單片機會發射特定頻率的PWM波來驅動紅外發射器，由于通過對紅外發射器的發射角度進行控制，可以達到這種狀態：當無人機處于接收站的正上方，也就是圓心位置的時候，地面接收站的紅外接收器能夠全部接收到紅外信號，無論無人機偏離了哪個方向，該方向上的紅外接收器均不能接收到紅外信號。這樣，當無人機發射紅外信號之后，地面接收站上能感應出無人機的具體方位信息，該方位信息被監控單片機所檢測，通過到每個方位的紅外接收器的狀態，從而判斷無人機偏離的角度，最后通過藍牙發送模塊將數據回傳給機載設備上的藍牙接收模塊，機載設備上的單片機會通過接收到的信號了解到無人機的偏離方位，同時與無人機的飛行控制器進行通信，重新調整無人機的飛行角度，從而達到自主控制無人機進行方位校準的目的。

2 硬件設計

基于設計要求，可以把定位系統分為三個部分，第一部分是機載設備，其主要作用是通過接收地面傳回來的方位信號來調整無人機的降落方位；第二部分是接收站，主要是起到給無人機定位的作用，可以說是無人機精準系統的導航儀；第三部分是監控模塊，主要是通過檢測接收站的接受信息來判定無人機的方位，同時通過藍牙短距離通信技術將無人機的具體方位信號回傳給機載設備。下面將分別介紹各個部分的原理結構與功能作用。

2.1 機載設備

機載設備由主芯片STM32，紅外發射器以及藍牙接收模塊組成。STM32具有低功耗、低成本、性能高等優點，本設計選取“增強型”的STM32F103ZET6，因為增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品。紅外發射器是由紅外燈珠和具有特定角度的紅外燈罩所構成，這個燈罩的角度只需要保證在無人機在接收站上方一到兩米的范圍內紅外發射器能覆蓋整個接收站即可，這里我們選取60度的燈罩。藍牙模塊（包括藍牙發送模塊和藍牙接收模塊）選取的是主從機一體HC-05模塊，具有高集成、低成本以及靈活性能強等優點。機載設備主要功能為當無人機降落功能開啟之后，降落到距離地面一定位置時，精準定位系統開啟，通過STM32芯片發射特定頻率的PWM波，使紅外發射器發射特定波長的紅外波，該波長的紅外波能被紅外接收器接收，使接收過程不易收到其他紅外光線干擾。同時，紅外接收器可以接收到地面控制模塊回傳的數據，再由STM32與無人機的飛行控制器進行通信，實現自主調節無人機的方向以實現精準定位的功能，如圖2-1所示。

圖2-1 機載設備設計原理框圖

2.2 接收站

在無人機的出發點放置一個半徑為一米的圓形接收器，在接受器的圓周上均勻放置多個紅外接收器，同時在圓心位置也放置一個紅外接收器。只有當無人機處于接收器正上方的時候才會使所有接收器都能接收到信號，如圖2-2所示。紅外傳感器的個數決定著系統的復雜程度以及系統的準確性，傳感器均勻分布的個數越多，系統就越復雜，同時系統的精準定位性能也就越好。本設計主要為了試驗系統的實用性以及可靠性，所以選取了五個方位，即東南西北中五個方向。當無人機降落到離接收站不到兩米的距離時，紅外發射器打開，按照計算好的紅外燈罩的角度，只有當無人機處于接收站的正上方的時候，五個方向的紅外接收器才能全部接受到信號，若哪一個方向沒有接收到信號，則說明無人機偏離了這個方向。

圖2-2 接收站設計圖

2.3 監控模塊

監控模塊是由STM32芯片，LCD顯示屏以及藍牙發送模塊組成。STM32的型號依然是“增強型”的STM32F103ZET6，主要功能是當無人機降落時，STM32主處理器不斷的檢測地面接收站的接受狀態，并且將接收器的狀態信號通過特定的程序與算法將無人機的偏離方向計算出來，也就是說將接收站的紅外接收器的接受狀態轉換成無人機的降落方位信號。得到該方位信號之后，一方面將無人機的方位信號由LCD顯示屏顯示出來，同時又通過藍牙發送模塊將信號回傳給機載設備，如圖2-3所示。

圖2-3 監控模塊設計原理框圖

3 軟件設計

3.1 機載設備程序設計

配置好機載設備上的STM32的串口和定時器之后，當無人機靠近地面的時候，STM32需要給紅外發射器一個特定頻率的PWM波。由于紅外接收器的接收的紅外頻率為38KHz，所以紅外發射器發射紅外的頻率要與之一致，也就是機載設備上的STM32芯片要輸出38KHz的PWM波。發出紅外波之后，STM32等待藍牙接收模塊接收地面的回傳信號，當藍牙接收模塊傳送回來的方位信號之后，判斷飛機的方位是否發生了偏離。一旦檢測到無人機的降落方位發生了偏離，STM32會立即與無人機的飛行控制器進行通信，由于Onboard SDK無人機開發平臺擁有開放的通信協議，STM32能通過控制飛行控制器來校準無人機降落方位，調整完成之后繼續重復上述定位過程，直到無人機方位沒有發生偏移，即可控制無人機按照調整好的方位進行降落。

3.2 監控模塊程序設計

監控模塊的主處理器的程序主要是檢測地面接收站的紅外接收器接收紅外的狀態信息，由于接收站是由若干個紅外接收器組成，均勻的分布代表著接收站圓周上的各個方向，所以這些信息就組成了無人機的方位信號。首先配置好監控模塊上的STM32串口參數，接著不斷的檢測這些方向的傳感器的信號狀態，通過特定的算法將這些狀態信息轉換無人機方位并且

將方位信號由顯示屏顯示出來，同時通過藍牙模塊將方位信號回傳給機載設備，由機載設備與無人的飛行控制器控制無人機的方位校準與降落。

4 實驗驗證

以五個外接收器為例，分別代表東、南、西、北、中五個方位，由于記載設備上的紅外發射器的燈罩角度為60度，地面接收站的圓半徑BC=1米，通過計算，當無人機降落到距離地面AB=√3米的時候，開啟定位功能，如下圖4-1所示。

圖4-1 精準定位系統的方位示意圖

顯示結果如下圖4-2所示。

圖4-2 精準定位系統的實物圖

當無人機使用精準定位功能的時候，地面接收站的狀態如下圖4-3（b）所示，此時監控模塊的顯示界面如下圖4-4所示，表明了無人機此時的方位。

5 結語

本文設計的精準降落系統，具有良好的精準性、實時性、安全性，通過實驗測得：當機載設備位于接收站的上方時，接收站能準確地將信號傳給監控界面，并且通過藍牙模塊回傳給機載設備。符合當前的市場要求，在未來的實際應用中有著很大的潛力。