基于四旋翼的灾后GSM信号组网及灾情探测系统论文Word下载.docx

基于四旋翼的灾后GSM信号组网及灾情探测系统论文Word下载.docx

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摘要I

AbstractI

目录II

第一章绪论1

1.1引言1

1.2研究目的和意义1

第二章系统说明1

2.2功能2

2.3平台选型2

第三章系统结构2

3.1四旋翼飞行器2

3.2无线路由模块3

3.3飞行导航板3

3.4飞行姿态控制板3

3.5PC控制地面站3

3.6USB摄像头4

3.7无线网桥部分4

4.1无线路由模块4

4.2飞行导航板5

4.3飞行姿态控制板8

4.4PC控制地面站8

4.5USB摄像头10

4.6无线网桥部分10

第五章软件程序设计11

5.1系统功能框图11

5.2路由模块程序设计流程图12

5.3控制算法设计12

5.4导航板软件流程图15

5.5姿态控制程序设计流程图16

5.6系统流程框图16

5.7通信信号扩大作用17

第六章总结17

参考文献18

第一章绪论

1.1引言

我国是一个地震等自然灾害多发国家，尤其是近几年我国地震等灾害事件愈发频繁。

地震等自然灾害对我国人民群众生命财产造成巨大损害，个人觉得在目前科技还不能够预测地震这种自然灾害事件发生，灾后救援就显得尤为重要。

由于地震破坏力巨大，对于救援通信极为重要的信号塔往往已经毁坏，救援工作受到极大的阻力。

基于此本团队开发出基于四旋翼的灾后GSM信号临时组网系统。

1.2研究目的和意义

无人飞行器体积小，灵活性高，可瞬时改变姿态，机动安全。

但是由于控制精度和通信管制等问题，现有无人机系统难以广泛的应用。

设计一种价格低廉、结构简单、稳定可靠、通讯便捷、操纵方便的无人机控制系统显得极为必要，方便应用于对地震灾情的勘测。

第二章系统说明

2.1系统结构

本系统是基于利用GPS精确定位并且能够实现自动驾驶的四旋翼为平台，搭载能够扩大基站信号的无线网桥设备。

2.2功能

本系统旨在在基站设施毁坏的震后灾区建立临时的GSM信号的组网以及灾情勘测。

本系统中四旋翼平台实质是一台能够自我定位并且能够自动飞行的无人机系统。

其飞机控制器核心以STC15为主控制芯片，同时搭载三轴陀螺仪、三轴加速度计、电磁指南针以及地磁传感器、气压传感器等传感器以及地磁传感器、气压传感器等模块，飞行控制模块与无线路由模块进行串口通讯，利用其串口与无线网络建立的数据交换信道，接收来自无线局域网络终端的飞行指令并能完成指令。

同时多个网桥链式布局能够进行远距离信号传输，形成局部的基站信号系统。

同时飞行器所带有的摄像头通过图传以及3DR数传能够实时回传灾区灾情，适用于灾情侦测。

2.3平台选型

IAP15F2K61S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成高精度R/C时钟，±

1%温飘，常温下温飘5‰， 

5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振。

3路PWM/PCA，8路高速10位A/D转换（30万次/秒）,针对电机控制，强干扰场合。

第三章系统结构

3.1四旋翼飞行器

四旋翼飞行器的工作方式是通过改变流过电机的电流的大小来改变电机输出功率的，进而可以使四旋翼飞行器处于空间中的任意一点，由于四旋翼飞行器是通过改变螺旋桨转速变化来改变升力大小，它需要一种保持稳定的控制方法，主要是因为其动力不稳定，因此四旋翼飞行器更适于静态飞行和动态飞行[9]。

四旋翼飞行器能够在小范围内垂直起降，其障碍物密集环境下的控制容易，以及飞行器可以保持特定姿势，起飞降落更加平稳，四旋翼飞行器和其他航空器相比，特点有以下几点：

它的结构简单，可以做得很小很轻便，只需通过调控螺旋桨的输出功率即可实现俯仰、偏航、滚转及各种姿态的改变，机动能力更加灵活具有较高的操控性能。

适宜搭载摄像头进行高空的航拍，拍摄角度广操作范围大，从而可以获取更加稳定清晰的拍摄画面，四旋翼飞行器结构如图3.1所示。

图3.1四旋翼飞行器的结构形式

3.2无线路由模块

本模块是符合wifi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换[10]。

支持通过指定通道号的方式进行快速联网，连入无线网时，先对网络信道进行一次全面搜寻，来搜索准备连接的目的AP创建的网络，根据802.11协议规定，不同的无线网络可以具有相同的网络名称，但必须对应一个唯一的BSSID地址，通过BSSID地址绑定的方式，可以防止STA接入到非法的网络，以加强网络安全实现数据安全传输。

通过配置无线路由模块的文件、硬件及相关的驱动部分，将指令的传输方式嵌入其中，让其成为一个无线站点，实时的与pc局域网络终端行数据的交换。

利用其TTL串口与单片机建立数据交换信道，将模块的TTL电平接入设备单片机，实现设备通过无线联网，从而可以在无线网络终端通过自定义摇杆和计算机键盘自定义的按键遥控四旋翼飞行器的飞行及拍摄。

当距离稍小时可以通过增大无线信号的功率来扩展它的距离；

当距离远时，给路由器配置无线3G网卡联入网络机的控制就不在受空间的限制，可以实现超视距的监控。

3.3飞行导航板

飞行导航模块以atmega2560为主控制芯片[11]，同时搭载三轴陀螺仪、三轴加速度计和电磁指南针等传感器，飞行导航模块与无线路由模块进行串口通讯，利用其串口与无线网络建立的数据交换信道，接收来自无线局域网络终端的飞行指令。

飞行导航板主要负责人工控制与计算机控制的切换，它可控制四旋翼飞行器按照其传来的指令飞行。

3.4飞行姿态控制板

以stm32单片机为主要控制芯片的飞行姿态控制板，搭载地磁传感器、气压传感器、超声波测距模块。

与以Atmega2560为主控制芯片飞行导航模块通讯，通过读取导航板的指令信号再综合自身的信号来完成飞行要求[12]。

飞行姿态控制模块与飞行导航模块相对独立，飞行姿态控制板保持悬停时的平稳，飞行导航板控制飞行，这样即使出现误操作也会使机身具有很高的稳定性。

3.5PC控制地面站

在计算机上搭建一个控制平台地面站用于飞行器的控制，实现人机界面的友好交流。

在系统上位机上，显示四旋翼飞行器所拍摄的画面。

并下达飞行指令，控制四旋翼飞行器的起飞，降落，悬停，及各种飞行姿态的变换。

并且同时给控制摄像头的舵机下达指令，实现各种角度，视线的调整，多角度全方位记录的目标。

使拍摄画面数据更加全面更加立体化。

3.6USB摄像头

基于无线网络的航模控制器视频采集模块所选用的是USB摄像头，本摄像头可支持1300万象素的视频拍摄，并且具有自动对焦功能，利于高空拍摄清晰的视频图像。

3.7无线网桥部分

无线网桥广泛应用于临时组网系统中，同时它还可以起到放大基站通信信号的功能。

第四章硬件电路设计

4.1无线路由模块

其具体的工作原理是：

在路由模块上运行着一段mjpg-streamer程序[13]，此段程序负责将USB摄像头采集的数据进行编码，再通过网络上传给电脑，这样，就可以看到摄像头的拍摄的视频了，同时路由一般都预留有TTL串口，通过安装在路由里面的Ser2net软件，就能把来自WIFI信道的指令转到串口输出，而串口在这里的作用就是与单片机芯片MCU通信，让单片机知道用户要让它做什么动作。

如图4.1所示。

图4.1无线路由模块设计

4.2飞行导航板

飞行导航板是以Atmega2560为主控芯片，Atmega2560具有54路数字输入/输出口，其中16路可作为PWM输出，这对输出航模常用的PPM信号是至关重要的，16路模拟输入方便外接输出模拟量的传感器，4路UART接口方便了获取GPS模块的数据及与其它设备进行数据交换。

电路设计如图4.2所示。

图4.2Atmega2560最小系统电路设计

飞行导航板其上搭载的传感器有MPU-6000，MPU-6000是全球首例9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器，扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（SPI接口仅在MPU-6000可用），MPU-6000也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器；

MPU-6000对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量；

为了准确的输出快速和慢速运动的变化情况，用户可以自定义传感器的测量范围，陀螺仪可测范围为±

250，±

500，±

1000，±

2000°

/秒（dps），加速度计可测范围为±

2，±

4，±

8，±

16g[14]。

电