基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要發(fā)在本次課題的研究設(shè)計(jì)中,論文首先簡要地論述了課題的研究發(fā)展背景和其意義,并系統(tǒng)地梳理了國內(nèi)外相關(guān)課題研究的發(fā)展現(xiàn)狀以及與無人機(jī)激光避障系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展的概況;然后通過實(shí)例分析了無人機(jī)在飛行中的基本原理,并提出了一種用于四旋翼的無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)完成機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自平衡原理分析、電動機(jī)選型、螺旋槳設(shè)計(jì)以及機(jī)架等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其次,對基于STM32單片機(jī)的新型無人機(jī)專用激光運(yùn)動避障控制系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),完成主要的避障系統(tǒng)集成硬件和控制模塊集成電路設(shè)計(jì),其中主要包括激光單片無人機(jī)最小避障系統(tǒng)、激光運(yùn)動避障控制模塊、電源和運(yùn)動信號數(shù)據(jù)傳送控制模塊、遙控模塊以及顯示模塊等主要電路設(shè)計(jì)，最后對系統(tǒng)軟件相關(guān)程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出完整的無人機(jī)激光避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本、高避障性能的無人機(jī)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無人機(jī)；激光避障目錄55731緒論 128321.1課題背景 1302971.2課題意義 1180971.3國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀 110211.4本避障無人機(jī)設(shè)計(jì)方案總體綜述 2248602無人機(jī)總體方案設(shè)計(jì) 3251112.1當(dāng)前主流無人機(jī)類型分析 3181802.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 3248362.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體需求 5278502.4技術(shù)指標(biāo) 5323082.5方案總體設(shè)計(jì) 3251112.6自平衡原理分析 3104863防撞裝置選擇 10182523.1各個關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 10182523.11電動機(jī)選擇 10209483.1.2防撞保護(hù)罩設(shè)計(jì) 10119843.1.3保護(hù)罩應(yīng)用范圍 10231873.1.4旋翼設(shè)計(jì) 11209483.2機(jī)架設(shè)計(jì) 10119843.2.1設(shè)計(jì)原則 10231873.2.2材料選擇 1196873.2.3機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11215853.3單片機(jī)最小系 12256683.4激光避障模塊 12134893.5電源模塊 13302183.6信號傳輸模塊 1496873.6.1主控電路 11215853.7遙控模塊 12256683.8顯示模塊 12171744系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì) 13134894.1主程序流程設(shè)計(jì) 13302184.2避障流程設(shè)計(jì) 14134894.3低功耗設(shè)計(jì) 13302184.4計(jì)算機(jī)軟件控制設(shè)計(jì) 1458985避障模塊硬件組裝與調(diào)試 17315565.1硬件組裝 17149155.2硬件調(diào)試 18119843.2.1電路檢查 10231873.2.2通電測試 11231873.2.2功能測試 112841結(jié)束語 2115805參考文獻(xiàn) 222841附錄 2131556A 1731556B 171緒論1.1課題背景近年來,伴隨著無人機(jī)科學(xué)技術(shù)的成熟以及相關(guān)發(fā)展進(jìn)步,消費(fèi)級無人駕駛飛行器的市場興起迅速,完善的無人機(jī)自動障礙物避離系統(tǒng)將有助于大大降低無人機(jī)因?yàn)檫\(yùn)行問題而導(dǎo)致的各類安全事故所可能導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失,現(xiàn)階段,避障技術(shù)的應(yīng)用能力正在發(fā)展成為無人機(jī)自動話和智能化最為關(guān)鍵的一個前沿技術(shù)之一。對于一些社會公共安全領(lǐng)域,例如地震、消防等方面,需要了解急救環(huán)境開展最合適的救援行動，這時候使用無人機(jī)無疑是一個不錯的選擇，但如果你想探測更深入的現(xiàn)場，避障系統(tǒng)則是不可獲取的一部分。經(jīng)歷過去一個階段時間的磨礪,避障技術(shù)，已逐漸發(fā)展成為國內(nèi)外的眾多無人機(jī)制造生產(chǎn)廠家追逐的一個熱點(diǎn),許多無人機(jī)公司也開始研發(fā)和推出具有避障功能的消費(fèi)級無人機(jī)。目前,市場上的多旋翼式避障無人機(jī)主要是采用以下幾種類型的測距技術(shù):超聲波測距技術(shù),紅外線測距技術(shù),激光測距技術(shù)和可視化測距技術(shù)。上述每一項(xiàng)檢測技術(shù)都同樣有它的優(yōu)缺點(diǎn),超聲波當(dāng)我們遇到毛皮,地毯等細(xì)小柔軟的介質(zhì)時,它們的檢測精度和性能就會因此受到很大的降低,甚至完全失效,紅外線的檢測距離太靠近了所檢測的距離,容易就會受到普通的電磁光波干擾;而且由于激光測距零件需要配備一些專業(yè)化的加工零部件,而這些零部件的價格相對比較高,維護(hù)成本也就可以說是一個小差距;視覺避障的技術(shù)需要處理大量圖像信息,對于圖像處理器的性能也提出了過高的要求。而且只是一種采用單一傳感器和控制技術(shù)來進(jìn)行避障控制的系統(tǒng),它們所具備的避障功能不可以適應(yīng)任何復(fù)雜、多變的情況。如何才能夠在市場上設(shè)計(jì)得到一個行之有效而又廉價的無人機(jī)自動化避障技術(shù)來得到解決的方案,這仍然被認(rèn)為是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題,國內(nèi)外的相關(guān)科學(xué)家和研究單位仍然正在努力探索和實(shí)踐中。1.2課題意義伴隨著國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,各行業(yè)都呈現(xiàn)出前所未有的蓬勃生長景象。其中的無人機(jī)也已經(jīng)迎來了技術(shù)發(fā)展的春天,無人機(jī)就是一種利用手機(jī)進(jìn)行無線電遙控器設(shè)備和手機(jī)自備的應(yīng)用程序控制器而產(chǎn)生的不載人飛機(jī),無人機(jī)能夠在無人駕駛條件下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空中飛行和負(fù)載任務(wù)。在這么多無人機(jī)的種類里面,最為具有代表性的應(yīng)該就是一架四旋翼式的無人機(jī)了,這種類型的無人機(jī)最大不同之處就是它能夠在飛機(jī)的起航和著陸時都是垂直地進(jìn)行,人們在選擇使用它時很簡單,便于操縱員對其進(jìn)行監(jiān)視和偵查,無人機(jī)也能夠?qū)⒆约旱娘w向距離到一個目標(biāo)較近的地方等等。然而，隨著無人機(jī)的操作功能的多樣化與復(fù)雜化，亟需對其避障性能進(jìn)行研究，提高其飛行的安全。因此，本文提出了基于STM32單片機(jī)控制的無人機(jī)避障激光避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，深入探析激光避障的有效性與可行性。并在完成無人機(jī)基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)控制電路以及軟件相關(guān)程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出完整的無人機(jī)激光避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本、高避障性能的無人機(jī)設(shè)計(jì)，這對對提高無人機(jī)安全性與經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。1.3國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀當(dāng)前國內(nèi)研究主要集中在對無人機(jī)飛行姿勢的控制，多軸的無人機(jī)比起單軸的直升機(jī)，控制復(fù)雜程度增加；近年來隨著電動機(jī)發(fā)展勢頭的突飛猛進(jìn)，對其續(xù)航能力也越來越看重，在相關(guān)的電池點(diǎn)擊領(lǐng)域也得到了更多的發(fā)展和研究方向。國外也在經(jīng)歷了二十年的沉寂、發(fā)展、爆發(fā)之后也迎來突破，不管是國內(nèi)還是國外，現(xiàn)階段都十分積極的在為新的感應(yīng)技術(shù)做研究和突破。為了使得無人機(jī)更加輕便小巧，也更全面的加強(qiáng)了無人機(jī)的性能和功能。2012年jonghopark和youdankims提出了一種利用立體視覺傳感器設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)自動回轉(zhuǎn)避障系統(tǒng)解決的方案。通過引入一個虛擬輸出解決了四旋翼的欠驅(qū)動以及對無人機(jī)運(yùn)動力學(xué)的建模。利用立體視覺技術(shù)可以獲取影像中的深度地貌圖,通過從影像中得到的深度地貌圖可以檢測得到這些障礙物,然后利用手工設(shè)計(jì)岀這些障礙物的安全邊界和碰撞圓錐。例如,當(dāng)一架四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動速度向矢在與碰撞圓錐內(nèi)相反位置時,四旋翼無人機(jī)就有可能會發(fā)出逃跑的指令,將其從空中飛行到所需要瞄準(zhǔn)地。但是本次設(shè)計(jì)的主要缺陷在于檢測系統(tǒng)只能針對一些形狀正常規(guī)則而且是處于靜態(tài)的障礙物而言對其進(jìn)行檢測,對于一些形狀不正常規(guī)則或者是可以自由移動的障礙物檢測效率極其差。2015年nischaygupta,jaspreetsinghmakkar和jspiyushpandey本文提出了一種利用室內(nèi)超聲波自動測距儀的傳感器在未來可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)飛行障礙物自動探測,即在室內(nèi)無人機(jī)飛行避障中可以采取使用超聲波自動測距儀的傳感器。其操作方法主要原理是將四個a-hc-sro4超聲波距離測距控制模塊分別同時安裝到四個螺旋翼翼和無人機(jī)尾部前后左右四個不同角度的運(yùn)動方向盤上來對四個障礙物距離進(jìn)行實(shí)時檢測,并將實(shí)時測得的四個障礙物飛行距離通過數(shù)據(jù)對其進(jìn)行實(shí)時分段化并回放進(jìn)行歸類,以便于及時判斷飛機(jī)是否因?yàn)樾枰皶r進(jìn)行距離規(guī)避。這個新型設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)充分證明了小型超聲波溫度測距距離傳感器已經(jīng)能夠廣泛地準(zhǔn)確應(yīng)用于達(dá)到飛行無人機(jī)的安全避障,但由于目前所廣泛采用的c-hc-sr04超聲波溫度測距距離傳感器卻仍然存在著由于檢測結(jié)果精度不高且其在檢測時沒有直接進(jìn)行檢測溫度自動調(diào)節(jié)等諸多缺點(diǎn),其導(dǎo)致檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度誤差過大,而且僅僅能夠使用四個小型超聲波距離測距點(diǎn)的傳感器還不具備能夠完全準(zhǔn)確適應(yīng)復(fù)雜的無人飛行環(huán)境條件。2014年,安徽大學(xué)的閆錦龍叫3針對室內(nèi)等狹窄的工作空間,采用STM32單片無人機(jī)技術(shù)作為遙控?zé)o人機(jī)的自動主控控制芯片,搭配了小型室內(nèi)紅外線自動避障測距儀和激光自動傳感器和簡易的小型紅外避障距離自動控制系統(tǒng)算法,設(shè)計(jì)成功開發(fā)研制出一款小型室內(nèi)四輪同軸多功能旋翼小型紅外避障自動智能遙控?zé)o人機(jī),并通過長期實(shí)踐研究驗(yàn)證了這款小型避障無人系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用可行性。但是,該項(xiàng)新課題的具體設(shè)計(jì)只是因?yàn)闇y距儀使用了一種紅外激光測距儀的數(shù)據(jù)傳感器,且所設(shè)計(jì)采用的紅外激光測距儀的數(shù)據(jù)傳感器極其低端,誤差大,測距儀的數(shù)據(jù)量程短,無法真正完全適應(yīng)室內(nèi)復(fù)雜的紅外飛行環(huán)境條件2017年3月,哈爾濱理工大學(xué)張澤群16將其相互聯(lián)系到激光測距儀、單目定位視覺影像圖傳感器和自動影像處理圖像上傳系統(tǒng)模塊相互銜接結(jié)合在一起來打造成為四維多旋翼微型無人機(jī)室內(nèi)障礙物位置檢測信息系統(tǒng),將即時實(shí)地定位與全景地圖系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)合方法(SLAM)和結(jié)合激光測距儀將傳感器、視覺圖傳系統(tǒng)等所結(jié)合獲取的室內(nèi)障礙物位置信息、無人機(jī)的室內(nèi)位姿系統(tǒng)信息分別直接代入自動導(dǎo)航處理算法中用來直接進(jìn)行對一架無人機(jī)的室內(nèi)即時定位,不僅僅能夠直接確定飛機(jī)在較長的飛行時間內(nèi)或者較遠(yuǎn)的距離飛行中對該無人機(jī)的室內(nèi)位置或者位姿信息系統(tǒng)是否可能會因此發(fā)生高度漂移。1.4本避障無人機(jī)設(shè)計(jì)方案總體綜述本方案設(shè)計(jì)的無人機(jī)所設(shè)置的應(yīng)用模塊可以跟具使用者需要可以做出相應(yīng)的修改，具有應(yīng)用場景廣，成本低，使用方便的特點(diǎn)，其所搭載的激光避障模塊具有設(shè)計(jì)簡單，搭載方式方便，精度靈敏，制造成本低廉，所需應(yīng)用場景要求低的特點(diǎn)，不僅與本方案的無人機(jī)可以搭配，與其他各類型無人機(jī)搭配組合也比較便捷容易。兩者的互相搭配可以展示避障無人機(jī)在多用途的應(yīng)用領(lǐng)域的表現(xiàn)，本文的主要內(nèi)容有：關(guān)于防撞無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防撞保護(hù)設(shè)計(jì)，激光模塊的設(shè)計(jì)。

2無人機(jī)方案總體設(shè)計(jì)2.1當(dāng)前主流無人機(jī)類型分析目前市場上主要生產(chǎn)的存在幾種類型的無人機(jī),按照其基本功能進(jìn)行劃分主要有以下幾種包括:航拍類,植保型無人機(jī)類,氣象型無人機(jī)類,監(jiān)控型無人機(jī)類,測繪型無人機(jī),按規(guī)格和大小進(jìn)行劃分:微型無人機(jī)(0kg-7kg),輕型無人機(jī)(7kg-116kg),中性(116kg-5776kg),大型無人機(jī)(5776Kg)。本設(shè)計(jì)主要針對微型和輕型無人機(jī)設(shè)計(jì),進(jìn)行改進(jìn),防止無人機(jī)撞擊后造成財(cái)產(chǎn)損失。2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求針對無人機(jī)防撞需求，本次設(shè)計(jì)主要提供兩種解決渠道，一是在旋翼周圍加裝一種防撞隔離保護(hù)罩；二是在無人機(jī)底部加裝激光模塊。參考有該需求的無人機(jī)，主要是微輕型，故將本方案的無人機(jī)大小尺寸設(shè)為750mm*750mm*220mm左右，1）保護(hù)罩設(shè)計(jì)：根據(jù)無人機(jī)旋翼的大小，設(shè)計(jì)保護(hù)罩的大小尺寸；2）激光模塊的設(shè)計(jì)：在保證低成本的同時，實(shí)現(xiàn)更好的高度預(yù)警；2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求1）飛控?cái)?shù)據(jù)傳輸至控制端的功能：能夠即使方便地讓操縱手了解無人機(jī)姿態(tài)，方位，速度等;2）圖像、視頻采集功能：將無人機(jī)所處周圍環(huán)境準(zhǔn)確記錄，方便以后分析;3)高度檢測功能：根據(jù)當(dāng)初設(shè)定閾值，當(dāng)達(dá)到高度閾值時，發(fā)出報警信號，以提醒操作人員；2.4技術(shù)指標(biāo)按照前期提出的方案設(shè)計(jì)需要，提出以下設(shè)計(jì)指標(biāo)1)數(shù)據(jù)通信周期:20±5ms；2)數(shù)據(jù)傳輸距離:3000米以內(nèi)；3）保護(hù)罩強(qiáng)度：34mps4)高度傳感器：高度范圍在0-100m2.5方案總體設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的四只機(jī)翼被放置在機(jī)身兩邊,左右各二，大小形狀都一模一樣。他們是在同一水平線和高度線上，無人機(jī)由機(jī)體、控制模塊和電源動力設(shè)備這三個部分組成，三個部分彼此相互配合又互寸在各自不同的功能區(qū)別。無人機(jī)的整個體也就是它的整個機(jī)架,電源動力設(shè)備主要指的是一個電源,電動機(jī)以及四個螺旋翼的設(shè)備,電源可以為一臺電機(jī)運(yùn)行和服務(wù)提供穩(wěn)定的能量,電機(jī)可以為一個旋翼運(yùn)行服務(wù),這樣一臺無人機(jī)就可以正常地飛行;所謂的自動化控制設(shè)備指的是對無人機(jī)進(jìn)行自動化控制的系統(tǒng),主要用于傳輸指令。正常的設(shè)計(jì)當(dāng)中,應(yīng)該是把一架無人機(jī)的四個旋翼安置在一個平面上,這樣可以確保整個無人機(jī)的上部的重量是四面均勻受力。這些設(shè)備主要功能是能夠提供電源、傳輸數(shù)據(jù)和控制無人機(jī)等。其中針對本方案中的無人機(jī)保護(hù)罩的改造，它主要用于隔離旋翼，防止其與周圍碰撞，如圖2-1所示。圖2-1四旋翼無人機(jī)的構(gòu)造2.6自平衡原理分析四旋翼的無人機(jī)，本身就存在極其微妙的平衡關(guān)系，四根長度相同的軸線使之位于同一圓環(huán)四點(diǎn)，并且能夠保持重心的位置?？傊?四旋翼無人機(jī)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)了平移、繞垂、旋轉(zhuǎn)、俯仰、翻滾、上下升降等六個運(yùn)動，全部仰賴與自身的平衡性。這個時候，一旦平衡被打破，例如，主旋翼失調(diào)，即會造成無人機(jī)偏離航道水平線的情況，又由于四個旋翼無法唉同一個水平面發(fā)生牽引運(yùn)動，則會進(jìn)一步導(dǎo)致無人機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜。此外，相鄰兩個旋轉(zhuǎn)機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)是相反的，也就是說，四個機(jī)翼分別是順時針、逆時針、順時針、逆時針這樣的順序擺放。彼此相鄰的兩個之間永遠(yuǎn)不是一樣的方向，整個機(jī)身是依靠機(jī)翼來完成上升。通過這種方式，來達(dá)到理想的飛行狀態(tài)并且保持自平衡。當(dāng)升力等于重力時則處于懸空停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)向上的力增加時，則處于機(jī)身的上升狀態(tài)，當(dāng)向下的力增加時，則處于機(jī)身的下降的狀態(tài)。3防撞裝置選擇各個關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)3.1.1電動機(jī)選型如今,小型無人機(jī)的動力組件主要是發(fā)動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。通過驅(qū)動帶動螺旋槳和渦輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。盡管內(nèi)燃機(jī)的效率高,輸出功率也相對較大,如果單就效率而言其實(shí)最好的選擇，但是它也有一個非常致命的缺點(diǎn)，調(diào)整速度是極其不方便的，因此，電力不高，續(xù)航能力不強(qiáng)的電動機(jī)反而成為首選。因?yàn)榭紤]到無人機(jī)飛行時間相對較短,所以電動機(jī)仍然成為了最佳的選擇方案。驅(qū)動電機(jī)作為無人機(jī)最重要的設(shè)備部件之一。在很大程度上控制了無人機(jī)的飛行高度和各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，因此對電機(jī)的選擇要慎重謹(jǐn)慎。確定無人機(jī)的各項(xiàng)基本性能指標(biāo)后,電動機(jī)參數(shù)基本能夠確定,以便無人機(jī)能夠順利執(zhí)行低空飛行的任務(wù)。因此這個時候就要保證，電動機(jī)能夠維持的飛行時間盡量的長，但又要地方電動機(jī)額定功率太大造成的欠載狀態(tài)會大大降低無人機(jī)的效率，還會增加起飛時無人機(jī)的重量。另一方面,如果電動機(jī)的額定功率太小,電機(jī)過載。續(xù)航能力太低又會影響整個無人機(jī)的使用，所以根據(jù)以上的闡述，需要注意一下幾點(diǎn)。首先是，在權(quán)衡無人機(jī)發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)的時候，需要考慮到發(fā)動機(jī)的重量。通過閱讀相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),無人機(jī)起飛升力與功率成正比。通過這種方式,因此,必須選擇大功率的發(fā)動機(jī),得到巡航時間的保證并完美配合螺旋槳。3.1.2防撞保護(hù)罩設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)方案中的防撞保護(hù)罩主要用于保護(hù)無人機(jī)的旋翼，因?yàn)闊o人機(jī)的主要動力來源于旋翼，在無人機(jī)工作狀態(tài)中，旋翼一直處于高速自轉(zhuǎn)的狀態(tài)，容易對周圍物體形成較大安全威脅，同時也損傷旋翼，因此需要一個保護(hù)罩將旋翼與周圍環(huán)境相隔離。保護(hù)罩大體如圖3-1所示.圖3-1護(hù)罩大體詳細(xì)尺寸如圖3-2所示，外輪廓為半徑為142.5mm,總體長度為239.2mm，高度為34.6mm圖3-2詳細(xì)尺寸由于考慮到該保護(hù)罩應(yīng)時刻保護(hù)無人機(jī)旋翼，為了省去反復(fù)拆卸與裝配的麻煩，因此將保護(hù)罩與無人機(jī)橫梁一體設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其與無人機(jī)橫梁位置關(guān)系如圖3-3所示圖3-3無人機(jī)橫梁位置關(guān)系圖3.1.3防撞保護(hù)罩設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)方案中的無人機(jī)除了采用激光模塊來保障安全外，還在無人機(jī)旋翼周圍加裝了保護(hù)罩來保障飛行安全，由此還需要對該保護(hù)罩進(jìn)行受力分析和強(qiáng)力校核，以此明確該無人機(jī)的使用范圍和注意事項(xiàng)，圖3-4為保護(hù)罩受力概念。圖3-4保護(hù)罩受力概念（局部）圖3-5護(hù)罩受力概念圖如圖3-5所示，該無人機(jī)的保護(hù)罩主要保護(hù)無人機(jī)旋翼來自四個方向的撞擊，它所受到的沖擊力主要來源于當(dāng)無人機(jī)向前運(yùn)動時對周圍物體所產(chǎn)生的沖擊力對應(yīng)的反作用力，因此分析無人機(jī)收到的撞擊力，先要分析無人機(jī)的最大運(yùn)動速度，質(zhì)量等方面參數(shù)。由于本方案主要針對微型無人機(jī)，故假定其質(zhì)量為0.6公斤，同類型無人機(jī)最大飛行時速為15m/s，它在受到撞擊后時速瞬間將為0m/s，假設(shè)緩沖距離僅有0.1m，假設(shè)保護(hù)罩與接觸物的碰撞面積為2平方厘米。則參考物理運(yùn)動學(xué)關(guān)于加速度公式式（3.1）這之中=末速度=初速度=緩沖距離再參考牛頓第二定律F=ma式（3.2）F=所承受的撞擊力則參考壓力公式式（3.3)由公式可知瞬時壓強(qiáng)達(dá)到了3375000帕，約為3.4MPa，由于我們選用的是碳纖維材料，碳素纖維樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度一般情況之下都能超過3500兆帕,這樣的直觀的概念相當(dāng)于是鋼的7-9倍。完全可以承受沖擊，保證旋翼的完好3.1.4旋翼設(shè)計(jì)對于無人機(jī)來說，旋翼是無人機(jī)的空氣動力來源，四組旋翼高速自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個向下的推力，從而讓空氣對無人機(jī)產(chǎn)生一個反作用力，托舉無人機(jī)，保障無人機(jī)完成飛行任務(wù)，旋翼的直徑越長，在相同電機(jī)相同轉(zhuǎn)速下其拉力越大，直徑越小拉力越小。常見的有兩葉，三葉和四葉。在其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相同的情況下，葉片越多其拉力越大，但是其轉(zhuǎn)動慣量與空氣阻力也就越大。電機(jī)使三葉槳達(dá)到與二葉槳相同轉(zhuǎn)速時，需要的電流就更大，而當(dāng)電流增加到十幾安培乃至幾十安培時，電機(jī)的內(nèi)阻就會消耗掉一定的功率產(chǎn)生熱量，而電機(jī)對槳產(chǎn)生的動能相對減小了一部分。使用多葉槳達(dá)到與兩葉槳相同轉(zhuǎn)速需要消耗的功率就更大。因此,通常的情況下,三葉槳和四葉螺旋槳的工作效率不如二葉螺旋槳的工作效率。所以對于多旋翼無人機(jī)我們使用二葉槳。如圖3-6所示，圖3-6二葉槳其詳細(xì)尺寸如3-7所示，長260mm，單個葉片長122.5mm，中心軸直徑為9mm。圖3-7詳細(xì)尺寸3.2機(jī)架設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)原則在進(jìn)行最后機(jī)架設(shè)計(jì)時,需要遵循設(shè)計(jì)原則,從實(shí)際情況出發(fā)，考慮一下幾個方面：材料，在保證成本低廉的情況之下保證材料一直要輕巧穩(wěn)固并且堅(jiān)固，一定要在輕巧、堅(jiān)固兩者之間綜合考量，否則要么太重造成過載，要么過脆造成質(zhì)量問題。結(jié)構(gòu)合理，容易后期的拓展和下一步的裝置，否則不易于制造和組裝；牢記過程，保證機(jī)架本身的可拆卸性，能夠比較快捷的進(jìn)行維修，調(diào)理和更換，便于安裝和拆卸零部件；抗震性，不能再運(yùn)行過程中經(jīng)過外部干擾因素或者運(yùn)行時的顛簸和震動就導(dǎo)致整個無人機(jī)的癱瘓和宕機(jī)；易于維護(hù)和保養(yǎng)，機(jī)架要能夠具有一定的抗腐蝕性，可以保證使用的時間能夠盡量長一點(diǎn)，延長使用壽命，盡可能多的節(jié)省使用成本。3.2.2材料選擇在整理歸納多方的資料和數(shù)據(jù)，進(jìn)行最終次論證和權(quán)衡之后，最終決定將四旋翼無人機(jī)的框架材料選擇碳纖維。這種材料的含碳量高達(dá)95%。具有極高的韌性，可以保證不會輕易損壞導(dǎo)致無人機(jī)無法使用，而且其材質(zhì)也十分輕便，強(qiáng)度甚于鋼鐵。尤其明顯的是其耐腐蝕、模量高的特點(diǎn)。足以使之廣泛應(yīng)用于社會各個層面，如公共安全的探測、軍事工業(yè)等各個不同領(lǐng)域。從微觀角度來看,碳纖維其實(shí)與傳統(tǒng)的人工石墨極為相似,其結(jié)構(gòu)無序且有雜質(zhì)層。每一層之間的中心點(diǎn)距離大約為3.39a至3.42a,都是以碳原子相隔。而且還存在原子之間互相排列不規(guī)則的情況。每一層跟各層之間相互連接的同時所需要依靠的就是范德華力一般而言,我們可以把碳纖維相互地比作就是由各種排列有序的結(jié)晶物和孔道所構(gòu)成。碳纖維包含了所有碳性原料的特點(diǎn),而碳素纖維樹脂復(fù)合材料則是包含了炭纖維的一切特點(diǎn)并且還有優(yōu)化和提升。碳素纖維樹脂復(fù)合材料的強(qiáng)度一般情況之下都能超過3500兆帕,這樣的直觀的概念相當(dāng)于是鋼的7-9倍。除此之外,碳素纖維樹脂復(fù)合材料的比模量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的鋼鐵材料。與原來的玻璃纖維相比,這種新型纖維材料的密度已經(jīng)超過了兩倍于楊氏模量,而且耐腐蝕極強(qiáng),可以很好的保證其質(zhì)量?？梢酝ㄟ^孔隙率的變化和強(qiáng)度反映出,其模量和強(qiáng)度已明顯呈現(xiàn)反比例變化。層與層之間的剪切強(qiáng)度均會受到影響,彎曲強(qiáng)度與彎曲模量亦均會因?yàn)槭艿搅瞬煌潭鹊挠绊懚鴮?dǎo)致改變。拉伸的強(qiáng)度隨著孔隙率的大小發(fā)生變化,它們也是按相反方向發(fā)生變化,拉伸模量幾乎沒有那么多地受到孔隙率大小的影響。這種新材料的纖度也是十分可觀，通過研究發(fā)行，在一般情況下為19克，但拉力異常強(qiáng)大，甚至可以達(dá)到每微米300kg。就拉力的強(qiáng)度而言，目前現(xiàn)階段極少有無知能夠強(qiáng)于碳纖維。如果處于沒有空氣的真空裝填，碳纖維依然可以憑借自身優(yōu)良的承受力耐受高于3,000度的溫度。并且形成維度與強(qiáng)度成正比的趨勢，溫度越高，碳纖維越強(qiáng)。然而，遺憾的是，這種材料的強(qiáng)度不盡相同，并且徑向強(qiáng)度明顯小于軸向強(qiáng)度，因此最好不要使用徑向的強(qiáng)力，以免造成不必要的浪費(fèi)。除了高耐溫性之外，碳纖維還具有耐低溫。當(dāng)溫度很低時，它不會脆化而導(dǎo)致?lián)p壞。在化學(xué)性質(zhì)層面來看,碳纖維的類似于碳。只有足夠濃度的強(qiáng)化劑才能致使其氧化。如果在溫度處于400攝氏度的條件之下,也可能會使空氣中出現(xiàn)氧化,這個時候就會產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳。此外,處于化學(xué)層面,碳纖維的耐蝕性依然是其中的佼佼者,在大自然中技術(shù)是不可能生銹。30年前就有人員做過一個至今為止扔在繼續(xù)的漫長實(shí)驗(yàn)。1980年的一個周末時候,一群美國研究者把一些碳纖維材料放置在強(qiáng)烈的堿比如氫氧化鈉的氨水溶液里面中并進(jìn)行高溫浸泡。三十多年后的今天,它仍然保持原本的原始狀態(tài)。當(dāng)然,這種鋁合金材料也是并非堅(jiān)如金銀,其實(shí)它本身所能承受的外力是很小的,非常容易被它們所破壞,在強(qiáng)酸的影響下,會出現(xiàn)一種被氧化的現(xiàn)象,因?yàn)檫@種碳纖維它的電動勢確實(shí)是正值,不過這種鋁合金的電動勢確實(shí)是一個被稱為負(fù)值,所以它是在強(qiáng)酸的影響下才會發(fā)生被氧化。當(dāng)我們碰到了碳纖維及鋁合金、鋼鐵、金屬時就會出現(xiàn)有對話、滲碳及其他電化學(xué)性質(zhì)的腐蝕。當(dāng)使用這些材料,我們必須先做一些表面的處理來維護(hù)無人機(jī)后期的狀態(tài)。3.2.3機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)架始終是無人機(jī)最重要的組成部分，對于整個機(jī)架而言，其最主要的功能除了美觀之外，更重要的是其實(shí)用性，也就是其對各個部位的連接和支撐。雖然市面上有多種材料可以拿來參考和選擇。但機(jī)架對材料的要求必須過硬，這是無人機(jī)的中樞，全靠它支撐著，因此，能夠充分減輕機(jī)身重量的時候還要保證硬度必須高，強(qiáng)度必須高，密度必須小。一般有金屬、塑料、碳纖維等。根據(jù)飛行方式，一般分為“X”字形或者“十”字形兩種形式。本設(shè)計(jì)采用以碳纖維為原材料，配以“x”字形的機(jī)架設(shè)計(jì)，機(jī)架的設(shè)計(jì)效果如圖3-8所示。圖3-8機(jī)架的設(shè)計(jì)效果詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)如圖3-9所示，上端隔離板為180mm*116mm，下端托板為223mm*223mm總體支架高度為130mm。圖3-9詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)3.3單片機(jī)最小系在選擇單片機(jī)時，需要綜合考慮其實(shí)際需求，STM32系列的F103C8T6款式，成本則比較低。目前的STM32有32個內(nèi)部Cortex-M3處理器。STM32具有良好的能耗控制能力，在語音、指紋和人臉識別模塊中具有良好的控制功能。在STM32、STM32、F105/107207/407等標(biāo)準(zhǔn)中，采用m3芯的相對較高。STM32應(yīng)用程序有許多便利。STM32的PCB（printedcircuit）由于某些復(fù)用功能具有映射特性，因此該板的設(shè)計(jì)更加方便快捷；當(dāng)所有ISO接口都啟用了中斷輸入時，所有ISO端口都滿足“中斷”的要求，并且沒有連接到多個特定的管腳，這將大大簡化設(shè)計(jì)，并在原理上或PCB上支持ISO端口的測試。當(dāng)時，從代碼的開發(fā)和下載來看，如果沒有足夠的引號，這兩個ISO行是否基本適用于該型號就沒有必要了。窗口可以下載方案。STM32保留了優(yōu)秀的功能，大大降低了開發(fā)成本。小型控制單元在集成系統(tǒng)應(yīng)用中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用的設(shè)備。MCU開發(fā)系統(tǒng)一般不提供最小系統(tǒng)。核心大小32位，速度72MHz，程序存儲器容量256KB，程序存儲器類型Flash，RAM容量48KB，I/O端口和內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備的數(shù)量多。芯片的電源為2V～3.6V，具有低功耗模式的各種功能，滿足低功耗應(yīng)用的要求。3.4激光避障模塊有效和安全地實(shí)現(xiàn)自主飛行的方法是無人機(jī)在室內(nèi)和陌生環(huán)境下飛行的第一要素，因此，在設(shè)計(jì)無人機(jī)的時候保證其自主避障的能力就顯得十分重要，無人機(jī)不僅能獲得飛機(jī)周邊的環(huán)境信息，還要根據(jù)獲得的環(huán)境信息進(jìn)行障礙物回避處理和路徑計(jì)劃設(shè)計(jì)。飛機(jī)的室內(nèi)定位模塊主要是利用在飛機(jī)上安裝的外部傳感器來實(shí)時獲取飛機(jī)的位置信息,并且通過繪制出所需要畫好的環(huán)境地形圖,將避障系統(tǒng)分為針對飛行器中各個障礙物進(jìn)行檢測和路線規(guī)劃兩個部分進(jìn)行完成。無人機(jī)可以用障礙物檢測模塊來識別障礙物,計(jì)算得出障礙物與機(jī)身之間距離相關(guān)性的信息。路徑規(guī)劃模塊根據(jù)飛機(jī)和障礙物之間距離測量的相關(guān)信息來調(diào)整飛機(jī)的航程和路徑,以避免飛機(jī)的障礙物。在室內(nèi)自主飛行中，不僅需要確定四重轉(zhuǎn)子的位置和姿勢，還需要確定障礙物并安全避免。自主障礙物避免模塊是通過圖像發(fā)送模塊設(shè)計(jì)的。圖像信息通過圖像傳輸模塊傳遞到障礙物避免系統(tǒng)，使用障礙物避免算法進(jìn)行圖像識別，檢測周圍環(huán)境。在自主障礙物避免模塊的設(shè)計(jì)中，為了減少圖像識別中的計(jì)算量和消耗功率，因此設(shè)計(jì)了基于激光單目視覺系統(tǒng)和圖像傳輸模塊的組合的自主障礙物檢測系統(tǒng)。根據(jù)物體表面檢測到的激光點(diǎn)來確定障礙物和當(dāng)前體的距離，然后估計(jì)矩形物體的移動距離以避免安全障礙物。3.5電源模塊電源插孔使用的是POWER_JACK_3。AMS1117-3.3LMI084是一種提供輸出端和電壓頻率范圍分別為3.3v的正向電和低壓電的升降式直流穩(wěn)壓器,此款穩(wěn)定器擁有自我保護(hù)機(jī)制，一旦內(nèi)部集成過熱保護(hù)就會開啟限流電路，是四旋翼無人機(jī)的最佳選擇。圖3-11電源模塊電路設(shè)計(jì)圖3.6信號傳輸模塊在信號傳輸模塊中為了增加通信距離，數(shù)據(jù)發(fā)射模塊采用收發(fā)器+PA+LNA的技術(shù)方案。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，RF信號由內(nèi)部PA放大，然后輸出到外部匹配電路，然后發(fā)送到外部功率放大器芯片，并經(jīng)由天線發(fā)射。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時，天線首先拾取RF信號，并經(jīng)由匹配電路經(jīng)由外部低噪聲放大器將其發(fā)送到收發(fā)機(jī)，并且收發(fā)器提取在內(nèi)部放大后的載波上有用的信息。3.6.1主控電路圖3-12主控電路圖主控芯片采用STM32F103C8T6，工作頻率72Mhz，主要用來進(jìn)行據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換，收發(fā)緩沖控制和接口變換等都在前一版本的基礎(chǔ)上得到了整體的提升。3.7遙控模塊遙控器可以控制俯仰角、橫滾角、偏航角和發(fā)動機(jī)，也可以控制水平飛行速度、垂直升降速度和偏航角。第三搖桿可以拿來用于控制云臺的俯仰角和偏航角。遙控器還具有啟停按鈕、一鍵返回按鈕、噴灑操作按鈕等輔助功能，指示燈可顯示燃油量、電量、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、操作狀態(tài)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、飛控狀態(tài)。另外，飛行控制系統(tǒng)的功能可通過16位撥號開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。它有兩個USB端口。迷你USB接口與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，USB-a接口用于連接手機(jī)。3.8顯示模塊顯示器應(yīng)能顯示數(shù)據(jù)和圖形，考慮到同一塊液晶屏尺寸越大，功耗越大，綜合考慮之后，還是選用了0.94英寸的OLED顯示板，該顯示器的電流消耗相對較低，能夠滿足系統(tǒng)要求，采用紅藍(lán)雙色塊屏。圖3-13顯示模塊電路設(shè)計(jì)圖除此之外，還帶有LED發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)，分別為紅、綠、藍(lán)三種顏色光的閃爍狀態(tài)。圖3-14LED發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)

。4系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)4.1主程序流程設(shè)計(jì)通過遙控對無人機(jī)的控制，即可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的姿態(tài)調(diào)整高度控制，啟動與停止，一件返回，應(yīng)用功能等具體指揮，如圖4-1所示。圖4-1遙控控制概念4.2避障流程設(shè)計(jì)在設(shè)置規(guī)避障礙的時候，需要想采集圖像數(shù)據(jù)，然后通過系統(tǒng)判斷激光光斑是否在，如果存在即使用補(bǔ)償算法，計(jì)算障礙物位置并重新規(guī)劃路線，如果激光光斑不存在，就直接返回即可，如圖4-2所示。圖4-2避障流程4.3低功耗設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步提高STM32芯片的工作效率，本文將操作系統(tǒng)實(shí)時移植到芯片上計(jì)劃。使無人機(jī)在沒有命令的情況下可以直接進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，如圖4-3所示。開始開始關(guān)閉中斷初始化調(diào)用低功耗功能查找最高優(yōu)先級運(yùn)行最高優(yōu)先級讓對應(yīng)人物就緒中斷服務(wù)程序中斷源圖4-3低功耗設(shè)計(jì)4.4計(jì)算機(jī)軟件控制設(shè)計(jì)為進(jìn)一步改善和提升無人機(jī)的使用體驗(yàn),針對當(dāng)前無人機(jī)使用者比較多的基于安卓系統(tǒng)的移動設(shè)備開發(fā)一款應(yīng)用,從而使得廣大用戶只需經(jīng)由使用該應(yīng)用界面就可以隨時地查看到與無人機(jī)有關(guān)的信息。并且要結(jié)合當(dāng)前的電子計(jì)算機(jī)研究和開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù),如圖4-4所示。圖4-4計(jì)算機(jī)軟件控制流程

5避障模塊硬件組裝與調(diào)試5.1硬件組裝在避障無人機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)在于避障模塊。通過焊接工具、購買后的電子元器件來實(shí)現(xiàn)其實(shí)物的焊接制作。激光避障無人機(jī)的避障模塊在完成時需要做到以下點(diǎn)：分析避障模塊的電路圖及系統(tǒng)功能，從而構(gòu)思系統(tǒng)的電路板的焊接布局，為整體焊接完成做好準(zhǔn)備。模塊在設(shè)計(jì)和制作的過程中,按照電路框圖,將激光傳感器模塊、電容、電阻、發(fā)光二極管、電源插座、顯示屏、單片機(jī)等多個芯片全部布局完成,焊接完成如圖5-1所示顯示屏幕位于左下角，用以顯示傳感器探測到的障礙物距離，電源接口位于左上角通過數(shù)據(jù)線即可接通電源，模塊即可進(jìn)行工作。圖5-1焊接完成圖從整體來看，模塊布局合理，緊湊，質(zhì)量輕便，適宜在多種場景下搭載。5.2硬件調(diào)試5.2.1電路檢查給硬件電路板放置好之前,不要再外加任何信號,進(jìn)行一次電路測試。對照設(shè)計(jì)好的硬件電路圖,對電路板各模塊依次檢查。使用常見的機(jī)載電壓密度計(jì)量器儀表進(jìn)行測試工作方式逐一仔細(xì)檢查機(jī)載電壓控制器在各個集成電路板上的各個電路板連接線、元器件的電路安裝工作方向和各個電路單元以及芯片的電路焊接工作情況。如果檢查這些情況均正確無誤,則可進(jìn)行下一步通電調(diào)試。5.2.2通電測試完成第一步的電路檢查后，對電路板通電，。實(shí)驗(yàn)測試過程，需要外部電源給電路板提供5V電壓。通電后，觀察電路板是否發(fā)出刺耳的聲音或者散發(fā)出明顯的氣味，觸摸電路板的溫度是否正常、電路中設(shè)計(jì)的指示燈是否發(fā)亮等。均無異常，則可進(jìn)行下一步，使用電壓表分別測量對應(yīng)芯片供電引腳的電壓值。，可滿足工作要求。完成之后，說明硬件電路板能夠正常使用。5.2.3功能測試將組裝好的激光模塊，接通電源分別按照兩種距離情況予以實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表格，接通電源狀態(tài)如圖5-2項(xiàng)目屏幕顯示警報鳴響工作狀態(tài)距離地面高于一米Distance032cm無平穩(wěn)