基于stm32的飛艇魚控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　基于STM32的飛艇魚控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　[摘 要]本文以STM32F103ZET6單片機為主控制器，舵機、佩帶螺旋槳的直流電機和GPS接收模塊為控制對象，上位機和單片機之間進(jìn)行無線通信，對充有氦氣的魚體氣囊進(jìn)行遙控控制，實現(xiàn)在空中自由飛行。飛艇魚是以0.4立方米的魚形氣囊為魚體，內(nèi)充氦氣，STM32F103ZET6為主控芯片，用C語言編程，實現(xiàn)對飛艇魚的速度、高度和方向的控制

2、。用上位機向單片機發(fā)送控制命令，以及顯示飛艇魚的飛行狀態(tài)和定位信息。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]STM32F103ZET6；舵機；直流電機；上位機；飛艇 </p><p>　　中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）26-0259-01 </p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，微型機器人在生產(chǎn)和軍事領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。低

3、成本低功耗的要求也越來越苛刻。飛艇魚作為一種小體積、低功耗、高機動性的飛行裝置，可以利用浮力減少一定的功耗。實現(xiàn)對要求作業(yè)時間長、范圍廣，人進(jìn)出不易的地方進(jìn)行勘測。如地理監(jiān)控、軍事偵查等。在軍用方面：由于飛艇魚成本低、體積小、機動性好。將在偵查、攻擊等方面發(fā)揮巨大作用。在娛樂方面。目前，機器人也越來越多的用于玩具業(yè)，如日本索尼公司推出的機器狗，日本三菱重工業(yè)推出的觀賞性機器鯉魚。 </p><p>　　1 控制系

4、統(tǒng)硬件設(shè)計 </p><p>　　1.1 整體設(shè)計方案 </p><p>　　本控制系統(tǒng)希望通過以STM32F103ZET6 ARM為核心控制器，利用無線模塊NRF24L01遠(yuǎn)距離控制直流電機和舵機，其中直流電機帶動螺旋槳產(chǎn)生動力，舵機改變方向，進(jìn)而控制一個充有氦氣的魚形氣囊，對此氣囊的飛行狀態(tài)是在上位機上實現(xiàn)的，包括速度、方向、高度。并且利用GPS模塊將飛行器的位置（經(jīng)緯度）實時顯示。控

5、制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，自上而下的設(shè)計思路，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性，系統(tǒng)的各個模塊分開設(shè)計，通過模塊間的接口來組合整個系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖1： </p><p>　　1.2 系統(tǒng)主要硬件部分介紹 </p><p><b>　　電機部分 </b></p><p>　　由于飛艇魚自身浮力有限，所以要用直流電機帶動螺旋槳產(chǎn)生先上的作用力來克服飛艇

6、魚自身的重力。魚體后面是一個舵機和一個直流動力電機，舵機電機用于控制方向，電機帶動一個小螺旋槳提供前進(jìn)動力。魚體下面是一排用直流電機帶動的小螺旋槳，通過控制轉(zhuǎn)速和吹風(fēng)方向來改變浮力分量和動力分量。舵機9g舵機（SG90），電機選用9*15的永磁直流電機和配套小螺旋槳，轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min，電機驅(qū)動選用芯片BTS7970，此電機可以提供要求的風(fēng)力。本系統(tǒng)選擇M20微型直流電機，此電機工作電壓范圍是1.5V-7.5V，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到4

7、2000rpm。根據(jù)實測，要用到四個這樣的電機同時工作才能克服這個硬件電路的重力。 </p><p>　　整個系統(tǒng)的所有通信都是串行通信，包括GPS和單片機的通信，以及處理器和上位機之間的通信。處理器和上位機之間的通信就需要用到無線串口收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，無線串口收發(fā)模塊的作用是作為單片機和上位機通信的媒介，單片機通過它給上位機發(fā)送解析后的GPS數(shù)據(jù)，上位機通過它給單片機發(fā)送控制命令。 </p>

8、<p>　　GPS接收模塊在本系統(tǒng)中的作用是接收GPS衛(wèi)星所發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后以串行數(shù)據(jù)形式發(fā)送給單片機。我們選用體積和重量都比較小的U-blox GPS模塊。U-blox GPS模塊遵守的是NMEA-0183協(xié)議。 </p><p>　　2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 </p><p>　　在本程序中，主函數(shù)主要是數(shù)據(jù)的計算和上位機進(jìn)行通信。另外，有兩個中斷函數(shù)。一個是接收上位機發(fā)送過來

9、的控制命令；另一個是接收GPS接收器發(fā)送給單片機的定位數(shù)據(jù)，并加以解析。主程序流程圖如圖2所示： </p><p>　　要實現(xiàn)本系統(tǒng)所有功能，軟件設(shè)計量較大，其中包括很多模塊只有寫好各個模塊才有可能通過整合實現(xiàn)預(yù)想功能，這些模塊包括：延時函數(shù)、舵機控制函數(shù)、電機控制函數(shù)、初始化函數(shù)、外部中斷、串口通信、GPS數(shù)據(jù)的接收與解析，然后在主函數(shù)里進(jìn)行整合。 </p><p>　　2.1 主控芯片

10、程序設(shè)計 </p><p>　　STM32F103ZET6是本控制系統(tǒng)的主控MCU，主要程序包括時鐘初始化、串口初始化、PWM初始化，對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括時間數(shù)據(jù)、經(jīng)度數(shù)據(jù)、緯度數(shù)據(jù)、日期數(shù)據(jù)和航速數(shù)據(jù)的解析，解析完畢，即可發(fā)送數(shù)據(jù)到控制界面進(jìn)而顯示飛行器的狀態(tài)以便控制。單片機產(chǎn)生使機器魚飛行的PWM波，無論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會產(chǎn)生中斷，就需要根據(jù)命令改變PWM波的占空比，從而改變直流電機和舵機

11、的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而改變機器魚的飛行速度和方向。這些控制實現(xiàn)都是建立在STM32與無線模塊和GPS的通信基礎(chǔ)上的，因此本系統(tǒng)使用到了VB程序編寫的上位機軟件。 </p><p>　　在本系統(tǒng)中，單片機和上位機之間通信的數(shù)據(jù)信息包括： </p><p>　?。?）單片機給上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)：當(dāng)前電機控制占空比、定位信息經(jīng)度值、定位信息緯度值、當(dāng)前時間、當(dāng)前日期、航速。 </p><

12、p>　?。?）上位機給單片機發(fā)送的控制命令：舵機打角的增加、舵機打角的減小、電機轉(zhuǎn)速的增加、電機轉(zhuǎn)速的減小、直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。 </p><p><b>　　4 總結(jié) </b></p><p>　　本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為核心處理器，產(chǎn)生PWM波對直流電機和舵機進(jìn)行控制，外圍電路有無線接發(fā)收模塊和GPS定位模塊，具有傳輸速度快，實時操作性好，數(shù)據(jù)

13、處理強等特點，能滿足在軍事、娛樂場合的某些要求，具有一定的應(yīng)用價值，本文的研究設(shè)計工作為進(jìn)一步研究設(shè)計自主機器魚以及多魚協(xié)作提供了較好的軟硬件設(shè)計基礎(chǔ)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 李建中編著.單片機原理及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社.2008.2（P32-P48）. </p><p>　

14、　[2] 曾磊，王立峰，甄靜偉.基于DSP的小型無人飛艇控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機.2011.24卷.10期：P6-P7. </p><p>　　[3] 曹毅，姜戎，王宏力.基于單片機的小型自控飛艇舵控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用.2007.33卷02期.P13-P16. </p><p>　　[4] 易福華.VisualBasic典型系統(tǒng)實戰(zhàn)與解析[M].電子工業(yè)出版社.2007

15、.01. </p><p>　　[5] 劉波文.ARM Contex-M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011. </p><p>　　[6] 金敏，周翔，金梁.嵌入式系統(tǒng)：組成、原理與設(shè)計編程[M].北京：人民郵電出版社，2006. </p><p><b>　　作者簡介 </b></p><p>