1、<p>　　基于STM32的飛艇魚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘 要]本文以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控制器，舵機(jī)、佩帶螺旋槳的直流電機(jī)和GPS接收模塊為控制對(duì)象，上位機(jī)和單片機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線通信，對(duì)充有氦氣的魚體氣囊進(jìn)行遙控控制，實(shí)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(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛艇魚的速度、高度和方向的控制

2、。用上位機(jī)向單片機(jī)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(jī)；直流電機(jī)；上位機(jī)；飛艇 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）26-0259-01 </p><p>　　隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，微型機(jī)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(lái)越苛刻。飛艇魚作為一種小體積、低功耗、高機(jī)動(dòng)性的飛行裝置，可以利用浮力減少一定的功耗。實(shí)現(xiàn)對(duì)要求作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣，人進(jìn)出不易的地方進(jìn)行勘測(cè)。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(jī)動(dòng)性好。將在偵查、攻擊等方面發(fā)揮巨大作用。在娛樂(lè)方面。目前，機(jī)器人也越來(lái)越多的用于玩具業(yè)，如日本索尼公司推出的機(jī)器狗，日本三菱重工業(yè)推出的觀賞性機(jī)器鯉魚。 </p><p>　　1 控制系

4、統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　1.1 整體設(shè)計(jì)方案 </p><p>　　本控制系統(tǒng)希望通過(guò)以STM32F103ZET6 ARM為核心控制器，利用無(wú)線模塊NRF24L01遠(yuǎn)距離控制直流電機(jī)和舵機(jī)，其中直流電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力，舵機(jī)改變方向，進(jìn)而控制一個(gè)充有氦氣的魚形氣囊，對(duì)此氣囊的飛行狀態(tài)是在上位機(jī)上實(shí)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(shí)時(shí)顯示?？?/p>

5、制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，自上而下的設(shè)計(jì)思路，以保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可靠性，系統(tǒng)的各個(gè)模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，通過(guò)模塊間的接口來(lái)組合整個(gè)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(jī)部分 </b></p><p>　　由于飛艇魚自身浮力有限，所以要用直流電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生先上的作用力來(lái)克服飛艇

6、魚自身的重力。魚體后面是一個(gè)舵機(jī)和一個(gè)直流動(dòng)力電機(jī)，舵機(jī)電機(jī)用于控制方向，電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)小螺旋槳提供前進(jìn)動(dòng)力。魚體下面是一排用直流電機(jī)帶動(dòng)的小螺旋槳，通過(guò)控制轉(zhuǎn)速和吹風(fēng)方向來(lái)改變浮力分量和動(dòng)力分量。舵機(jī)9g舵機(jī)（SG90），電機(jī)選用9*15的永磁直流電機(jī)和配套小螺旋槳，轉(zhuǎn)速達(dá)到20000r/min，電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用芯片BTS7970，此電機(jī)可以提供要求的風(fēng)力。本系統(tǒng)選擇M20微型直流電機(jī)，此電機(jī)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(shí)測(cè)，要用到四個(gè)這樣的電機(jī)同時(shí)工作才能克服這個(gè)硬件電路的重力。 </p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)的所有通信都是串行通信，包括GPS和單片機(jī)的通信，以及處理器和上位機(jī)之間的通信。處理器和上位機(jī)之間的通信就需要用到無(wú)線串口收發(fā)模塊。在本系統(tǒng)中，無(wú)線串口收發(fā)模塊的作用是作為單片機(jī)和上位機(jī)通信的媒介，單片機(jī)通過(guò)它給上位機(jī)發(fā)送解析后的GPS數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)它給單片機(jī)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(jī)。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(jì) </p><p>　　在本程序中，主函數(shù)主要是數(shù)據(jù)的計(jì)算和上位機(jī)進(jìn)行通信。另外，有兩個(gè)中斷函數(shù)。一個(gè)是接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)

9、的控制命令；另一個(gè)是接收GPS接收器發(fā)送給單片機(jī)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(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所有功能，軟件設(shè)計(jì)量較大，其中包括很多模塊只有寫好各個(gè)模塊才有可能通過(guò)整合實(shí)現(xiàn)預(yù)想功能，這些模塊包括：延時(shí)函數(shù)、舵機(jī)控制函數(shù)、電機(jī)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(jì) </p><p>　　STM32F103ZET6是本控制系統(tǒng)的主控MCU，主要程序包括時(shí)鐘初始化、串口初始化、PWM初始化，對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括時(shí)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(jī)產(chǎn)生使機(jī)器魚飛行的PWM波，無(wú)論在什么狀態(tài)，只要串口接收到命令就會(huì)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(jī)和舵機(jī)

11、的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而改變機(jī)器魚的飛行速度和方向。這些控制實(shí)現(xiàn)都是建立在STM32與無(wú)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(jī)軟件。 </p><p>　　在本系統(tǒng)中，單片機(jī)和上位機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)信息包括： </p><p>　?。?）單片機(jī)給上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)：當(dāng)前電機(jī)控制占空比、定位信息經(jīng)度值、定位信息緯度值、當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前日期、航速。 </p><

12、p>　　（2）上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送的控制命令：舵機(jī)打角的增加、舵機(jī)打角的減小、電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加、電機(jī)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(duì)直流電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行控制，外圍電路有無(wú)線接發(fā)收模塊和GPS定位模塊，具有傳輸速度快，實(shí)時(shí)操作性好，數(shù)據(jù)

13、處理強(qiáng)等特點(diǎn)，能滿足在軍事、娛樂(lè)場(chǎng)合的某些要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，本文的研究設(shè)計(jì)工作為進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)自主機(jī)器魚以及多魚協(xié)作提供了較好的軟硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 李建中編著.單片機(jī)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(wú)人飛艇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2011.24卷.10期：P6-P7. </p><p>　　[3] 曹毅，姜戎，王宏力.基于單片機(jī)的小型自控飛艇舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(shí)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(kāi)發(fā)實(shí)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(jì)編程[M].北京：人民郵電出版社，2006. </p><p><b>　　作者簡(jiǎn)介 </b></p><p>