四旋翼无人机高速巡查系统无人机软件子系统
无人机（UAV）是一种依靠动力装置飞行的无人驾驶飞行器。UAV的应用如今极其广泛，本论文设计了一个基于四旋翼无人机的高速巡查系统，其以STM32单片机为核心控制单元，对电子罗盘、陀螺仪、加速度计及气压计等传感器所采集的数据进行解算，进而给出电机控制量来控制无人机的起飞与降落，同时单片机接收GPS信息并结合传感器数据完成规定路线巡查，此过程中还可以利用图像传感器实时预览巡查路线状况；当电流计传感器检测到电压电流不足时将发出自主返航指令完成原点降落。关键词 四旋翼无人机，高速巡查，自主起降，定点巡航
目 录
1 引言 1
1.1 本课题研究的意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文研究的主要内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 硬件系统设计 3
2.2 软件系统设计 4
3 单元模块软件设计 6
3.1 单片机模块设计 6
3.2 传感器模块设计 11
3.3 GPS模块设计 17
3.4 电源预警模块设计 19
3.5 电机驱动模块设计 19
3.6 无线通信模块设计 22
3.7 视频采集和显示模块设计 24
4 系统测试 26
4.1 自主起降巡航测试 26
4.2 巡查图像传输测试 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
附录A：程序代码 33
1 引言
1.1 本课题研究的意义
四旋翼无人机具有结构相对简单、成本低可控制以及维护保养方便的特点，此外把它对比其它类型无人机，优点明显：重量轻体积小、垂直起降无问题且控制便捷，重要的是它还可以空中悬停留待以便观测需求；此外无人机可快速响应、受天气的限制小、在第一时间采集现场数据、迅速将现场的情况传送到控制中心、供决策者分析判断，能及时清除事故隐患、避免事故导致人员受伤、跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理[1]。最后，因无人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
机机动灵活、能搭载多种设备，一次巡检可进行多种检查、有效地规避巡查线路所处地理环境的限制，在巡视效果、工作效率和人员安全等方面具有较为明显的优势。欧美国家一直垄断着多旋翼无人机技术是不正常不合理的现象，而我国对于无人机的研究进展将可能打破这一局面，不仅如此努力研制的四旋翼无人机具有很高的性价比，这点将为社会带来巨大的经济效益，更有甚者或许能够助相关科研项目一臂之力，为我国科研事业做出伟大的贡献都将是可能。有理由相信，通过综合全面的分析、比较，可发现四旋翼无人机具有非常重要的研究意义。
1.2 国内外研究现状
无人机技术的研究发展在国外具有时间早的优势，所以他们已积累了大量丰富的经验，同时在不断努力下形成了一整套的应对于各行各业的解决优化方案。在美国的耶鲁大学，开发人员研发了一套命名为AP50的自动驾驶系统，在这套系统中，地面监控中心可以显示飞行中的无人机GPS信息数据，同时还可以观测到飞行速度与里程、剩余电量及机体姿态，进而该系统可以实时不间断地指挥操控无人机进行导航飞行；对石油厂进行无人机巡查是英国Cyberhawk公司在2011年首次完成的，本次巡查不但可以低空进行，而且可以近距离观测巡查状况，这样的巡查是史无前例的，其中巡查的内容包括石油厂外部生产过程中是否存在生产方面的故障；此外在加拿大，Micropilot公司生产了一套名为MP2x28系列的飞控系统，该MP2x28系列具有优越的性能，同时功能丰富，特点鲜明：重量轻体积小而方便。小型无人机的航拍、无人机自主起降飞行的实验是它主要的应用场景。
另一方面，虽然我国的无人机科研项目起步与深入研究落后于国外，但是值得肯定和高兴的是，经过近些年的不断学习进步，这方面的巨大差距正在被不断缩小甚至有赶超的可能。在北京航空航天大学，名为iFLY的自驾系统面世，它的主要工作内容为可以控制多个直升机的飞行，并且能够显示它们的飞行状态，这些都是可以在地面监控系统中做到的；不但如此，被广为熟知的深圳大疆公司也是创新不断，令人惊喜。他们针对多旋翼无人机研制了款A2飞行控制器，此款飞行器达到工业级水准，可以用于商用，经济效益可观。它通过GPS可以完成定高的同时结合IMU惯性导航能够实现控制飞行效果。
1.3 本文研究的主要内容
由于微型电子与机电以及导航技术的高速发展和应用层面的普及，加上电子与信息技术的发展带动了航空领域的快速发展，无人机技术逐渐成为了各国研究的热点[2]。与此同时伴随着我国经济的快速发展，高速公路的建设也日渐完善。但是不可否认的是由此带来的高速安全问题也日益突出。一方面，因为高速公路是全封闭设计，一旦发生违法占用应急车道等行为有很大可能导致事故的发生，所以处理事故人员不能迅速判明情况查清原因进而采取不了有效措施及做出正确的指挥，最终发生避免不了的事故。另一方面，之所以公路巡查所花时间长、人力成本高、困难大，是因为交通线路分布点多面广，同时所处地形复杂，从而传统的人工巡查方法条件艰苦、工作量大。综上所述种种原因可想而知，本论文所阐述的用于高速巡查的四旋翼无人机一定会成为一种简单快捷高效且大有发展前景的巡查方式。
本论文针对四旋翼无人机飞行控制系统进行研究，将具体论述无人机如何在GPS导航系统的协作下完成自主起飞、规定路线巡航、低电量自主返航等功能，同时还可以在无线通信模块及视频采集显示模块帮助下实现巡查情况实时预览。飞行控制系统是设计的整个系统的关键，四旋翼无人机想要完成自主飞行的话，必须要有飞行控制系统的协助[3]。其中无人机升空后的姿态数据由各路传感器测量，这些数据将交由STM32单片机收集处理，然后单片机在对姿态数据进行结算的同时，会结合控制者发出的控制指令，紧接着无人机四个旋翼的倾角及转速将由解算出来的四路PWM脉冲电调来控制改变，最后四旋翼无人机可以完成从起点起飞，飞行到既定地点的巡查任务，并且到达终点后还可以按照原来飞行的路线返回。此外无线传输模块和视频采集显示模块的合作实现了能实时将巡查数据从空中传回地面预览的功能。
目 录
1 引言 1
1.1 本课题研究的意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文研究的主要内容 2
2 系统总体设计 3
2.1 硬件系统设计 3
2.2 软件系统设计 4
3 单元模块软件设计 6
3.1 单片机模块设计 6
3.2 传感器模块设计 11
3.3 GPS模块设计 17
3.4 电源预警模块设计 19
3.5 电机驱动模块设计 19
3.6 无线通信模块设计 22
3.7 视频采集和显示模块设计 24
4 系统测试 26
4.1 自主起降巡航测试 26
4.2 巡查图像传输测试 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
附录A：程序代码 33
1 引言
1.1 本课题研究的意义
四旋翼无人机具有结构相对简单、成本低可控制以及维护保养方便的特点，此外把它对比其它类型无人机，优点明显：重量轻体积小、垂直起降无问题且控制便捷，重要的是它还可以空中悬停留待以便观测需求；此外无人机可快速响应、受天气的限制小、在第一时间采集现场数据、迅速将现场的情况传送到控制中心、供决策者分析判断，能及时清除事故隐患、避免事故导致人员受伤、跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理[1]。最后，因无人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
机机动灵活、能搭载多种设备，一次巡检可进行多种检查、有效地规避巡查线路所处地理环境的限制，在巡视效果、工作效率和人员安全等方面具有较为明显的优势。欧美国家一直垄断着多旋翼无人机技术是不正常不合理的现象，而我国对于无人机的研究进展将可能打破这一局面，不仅如此努力研制的四旋翼无人机具有很高的性价比，这点将为社会带来巨大的经济效益，更有甚者或许能够助相关科研项目一臂之力，为我国科研事业做出伟大的贡献都将是可能。有理由相信，通过综合全面的分析、比较，可发现四旋翼无人机具有非常重要的研究意义。
1.2 国内外研究现状
无人机技术的研究发展在国外具有时间早的优势，所以他们已积累了大量丰富的经验，同时在不断努力下形成了一整套的应对于各行各业的解决优化方案。在美国的耶鲁大学，开发人员研发了一套命名为AP50的自动驾驶系统，在这套系统中，地面监控中心可以显示飞行中的无人机GPS信息数据，同时还可以观测到飞行速度与里程、剩余电量及机体姿态，进而该系统可以实时不间断地指挥操控无人机进行导航飞行；对石油厂进行无人机巡查是英国Cyberhawk公司在2011年首次完成的，本次巡查不但可以低空进行，而且可以近距离观测巡查状况，这样的巡查是史无前例的，其中巡查的内容包括石油厂外部生产过程中是否存在生产方面的故障；此外在加拿大，Micropilot公司生产了一套名为MP2x28系列的飞控系统，该MP2x28系列具有优越的性能，同时功能丰富，特点鲜明：重量轻体积小而方便。小型无人机的航拍、无人机自主起降飞行的实验是它主要的应用场景。
另一方面，虽然我国的无人机科研项目起步与深入研究落后于国外，但是值得肯定和高兴的是，经过近些年的不断学习进步，这方面的巨大差距正在被不断缩小甚至有赶超的可能。在北京航空航天大学，名为iFLY的自驾系统面世，它的主要工作内容为可以控制多个直升机的飞行，并且能够显示它们的飞行状态，这些都是可以在地面监控系统中做到的；不但如此，被广为熟知的深圳大疆公司也是创新不断，令人惊喜。他们针对多旋翼无人机研制了款A2飞行控制器，此款飞行器达到工业级水准，可以用于商用，经济效益可观。它通过GPS可以完成定高的同时结合IMU惯性导航能够实现控制飞行效果。
1.3 本文研究的主要内容
由于微型电子与机电以及导航技术的高速发展和应用层面的普及，加上电子与信息技术的发展带动了航空领域的快速发展，无人机技术逐渐成为了各国研究的热点[2]。与此同时伴随着我国经济的快速发展，高速公路的建设也日渐完善。但是不可否认的是由此带来的高速安全问题也日益突出。一方面，因为高速公路是全封闭设计，一旦发生违法占用应急车道等行为有很大可能导致事故的发生，所以处理事故人员不能迅速判明情况查清原因进而采取不了有效措施及做出正确的指挥，最终发生避免不了的事故。另一方面，之所以公路巡查所花时间长、人力成本高、困难大，是因为交通线路分布点多面广，同时所处地形复杂，从而传统的人工巡查方法条件艰苦、工作量大。综上所述种种原因可想而知，本论文所阐述的用于高速巡查的四旋翼无人机一定会成为一种简单快捷高效且大有发展前景的巡查方式。
本论文针对四旋翼无人机飞行控制系统进行研究，将具体论述无人机如何在GPS导航系统的协作下完成自主起飞、规定路线巡航、低电量自主返航等功能，同时还可以在无线通信模块及视频采集显示模块帮助下实现巡查情况实时预览。飞行控制系统是设计的整个系统的关键，四旋翼无人机想要完成自主飞行的话，必须要有飞行控制系统的协助[3]。其中无人机升空后的姿态数据由各路传感器测量，这些数据将交由STM32单片机收集处理，然后单片机在对姿态数据进行结算的同时，会结合控制者发出的控制指令，紧接着无人机四个旋翼的倾角及转速将由解算出来的四路PWM脉冲电调来控制改变，最后四旋翼无人机可以完成从起点起飞，飞行到既定地点的巡查任务，并且到达终点后还可以按照原来飞行的路线返回。此外无线传输模块和视频采集显示模块的合作实现了能实时将巡查数据从空中传回地面预览的功能。
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