第３期 关学忠等．基于ＳＴＭ３２的无人机地面监控系统 ２７７ 基于ＳＴＭ３２的无人机地面监控系统 关学忠 赵丽丽 崔 凡 卞 强 孙占文 （东北石油大学电气信息工程学院） 摘 要 在ＶＳ平台上设计了一个基于ＳＴＭ３２控制器的无人机地面监控系统，给出系统软硬件部分的 选型和设计。经过实际联调，系统运行良好，实现了预期目标。 关键词 地面监控系统 四旋翼无人机ＳＴＭ３２ Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ界面 中图分类号ＴＨ８６２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－３９３２（２０１７）０３—０２７７—０３ 随着航空和微机电技术的快速发展，微小型 飞行状态数据实时采集显示、控制指令发送、飞行 无人机已成为无人机范畴的重点研究课题。微小 型无人机具有体积小、质量轻、布局简单、携带便 轨迹绘制、目标定位及无人机３Ｄ视景等功能。 １ 系统总体结构 利及维护方便等优点，在军事、民用等领域中得到 了广泛应用¨ 。笔者以四旋翼无人机（小型飞行 器）为研究对象，应用无线链路装备，在ＶＳ软件 上设计了一个无人机地面监控系统，实现无人机 数据 通信 数据 通信 数据 通信 无人机地面监控系统（图１）硬件由ＰＣ机、飞 行器、遥感器、无线数据通信设备及航拍摄像头等 组成；软件由ＰＣ机上的地面监控系统和Ｆｌｉｇｈｔ— Ｇｅａｒ视景显示部分组成 。 １Ｈｆ圈 无人机 ｊ 瘸 ————●＼ 、＼上行控制信道 下行控制信道 通信ｌＩ数据Ｉ Ｉ航迹ｌ Ｉ数据Ｉ Ｉ命令 控制ｌ Ｉ显示Ｉ Ｉ绘制Ｉ Ｉ保存ｌ Ｉ模块 息 、 ．砑－＼ ～ ｌ 数传通道 图１ 无人机地面监控系统结构示意图 ２系统硬件部分 桨构成，固联在十字叉构造上，以４个旋翼为动 力，可以垂直下降，不载工作人员。 四旋翼无人机控制板的硬件布局如图３所 示。控制器采用具有ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３处理器的 ２．１ 四旋翼无人机 四旋翼无人机（图２）由４个电机驱动的螺旋 ＳＴＭ３２单片机，主要负责控制数据采集模块、通信 模块、定时器模块和电机驱动模块。数据采集模 块用于收集传感器数据，根据相应的传感器接口 采集数据；通信模块用于控制器之间的通信和无 人机与地面监控系统之间的通信；定时器模块用 于捕获ＰＰＭ信号、生成ＰＷＭ信号和定时，生成的 ＰＷＭ信号发送给电机驱动模块（无极电刷），调 图２ 四旋翼无人机构造模拟图 节ＰＷＭ波来改变电机转速 。 作者简介：关学忠（１９６２－），教授，从事神经网络控制和故障诊断技术研究，ｇｘｚｄｑｐｉ＠１６３．ｅｏｍ。 ２７８ 化工自动化及仪表 第４４卷 图３ 四旋翼无人机控制板的硬件布局 四旋翼无人机设有两片ＳＴＭ３２控制器（上下 分布），分别进行不同的指令任务。上层控制器 用于与地面监控系统的通信 采集遥控器的ＰＰＭ 信号并解码、获取传感器数据、与下层控制器的 ＳＰＩ通信；下层控制器用于控制电机转速、获取传 感器数据、与上层控制器的ＳＰＩ通信。 ２．２无线通信设备 无人机地面监控系统与四旋翼无人机之间采 取无线串口通信方式，无线通信设备选择遵循 ＺｉｇＢｅｅ协议的ＸＢｅｅ—Ｐｒｏ模块。该模块符合无线 传感网络低资源、低功耗的要求，便于应用。 ２．３遥控设备 遥控设备选择天地飞遥控器，配有ＦＲＰ０６．Ｐ 接收机，具有失控保障、抗干扰性强及稳定性高等 优点。该遥控设备能够容易地寻找到ＰＰＭ信号 线，然后通过主控制器的一个定时器，就可以对 ＰＰＭ信号进行解码，从而完成对四旋翼无人机的 控制。 ３ 系统软件部分 ３．１ 地面站界面 地面站界面采用ＶＳ平台编译源代码，打开 Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ界面（图４），首先调试ＰＩＤ参数和 路径规划，然后对ＧＰＳ模块和无线通信设备进行 编译，就可实现对四旋翼无人机的定位和飞行姿 态的掌握。 Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ界面的功能主要包括以下３ 个部分： ａ．飞行状态数据的显示。机载控制系统通 图４ Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ界面 过传感器获取飞行姿态后，数据经由数据链路发 送给地面监控系统，地面监控系统由仪表和文本 框显示接收到的数据信息。 ｂ．控制命令的发送。地面监控系统通过数 据链路把设置的控制指令发送给无人机，无人机 收到指令后，通过ＭＰＵ处理，实现对飞行器的操 纵。 ｃ．航迹绘制和目标定位。电子地图实时显 示无人机的航迹，并确定相应的目标定位和航点 的设置与修正。 ３．２ ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ视景显示 无人机地面监控系统的ＦｌｉｇｈｔＧｅａｒ视景显示 能够根据实际的无人机姿态，仿真３Ｄ视景飞行。 工作人员在遥控过程中不需要一直注视无人机， 只需根据３Ｄ视景效果，就可以准确快速地确定 无人机飞行姿态，从而给出遥控指令。 ４ 结束语 笔者基于ＳＴＭ３２控制器，以四旋翼无人机为 被控对象，在ＶＳ平台上设计了一个无人机地面 监控系统。该系统的Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ界面，实现 了无人机飞行轨迹的实时记录；通过ＰＩＤ参数调 整，实现了对四旋翼无人机飞行姿态的控制；绘制 飞行轨迹，进行路径规划，实现了无人机的自主飞 行。试验结果证明，该无人机地面监控系统可靠 性高，达到了地面监控要求和预期目标。 参 考 文 献 ［１］ 于歌，，房建成．小型无人机地面监控系统软件 设计与实现［Ｊ］．机械与电子，２００７，（７）：２４—２６． ［２］ 沈才云．四旋翼无人机地面监控系统的研究与设计 ［Ｄ］．南京：东南大学，２０１ ３． （收稿日期：２０１６－０９－０２） （下转第３１８页） ３ｌ８ 化工自动化及仪表 第４４卷 后催化剂管线压力不足，致使Ｄ２０１压力降低，丙 烯倒窜。 ｆ．Ｉ２０１联锁动作，三剂泵冲程归零，Ｄ２０１压 力下降，操作人员不能在第一时间进入现场打开 顶油阀，致使丙烯倒窜至Ｄ２０１内发生反应，Ｄ２０１ 聚堵严重。 程序控制阀，在Ｉ２０１联锁动作结果中增加打开顶 油程序控制阀的动作，缩短反应处理时间，保证丙 烯无法倒窜堵塞Ｄ２０１。 ６ 结束语 催化剂系统是聚丙烯装置的关键部位，也是 运行中比较敏感薄弱的环节，极易出现故障，如若 不能及时发现，将影响整个装置的安全生产，严重 时会造成装置非计划紧急停车。因此，加强日常 ｇ．预接触罐搅拌器Ａ２０１故障。曾发生过 Ａ２０１转速降低，造成装置停车的事故，对Ａ２０１进 行检修发现，密封垫片卷入轴内，造成转动阻力大 于磁力耦合力进而发生打滑，更换密封垫片和石 墨环轴承后开机正常。后来，又有Ａ２０１皮带老 化问题，短时间停三剂进行更换，未对反应造成影 响。还有一回，Ａ２０１转速回零，检查发现是磁力 座皮带轮磨断，停三剂更换后正常。 针对上述问题，提出的建议措施如下： ａ．加强技术人员的理论学习，日常操作严格 操作管理，强化安全操作意识，培养员工事故的应 急处理能力是保证装置正常运行的基本前提。在 连续生产过程中要不断进行工艺操作优化，例如 增设主催化剂泵Ｐ１０８出口流量计、增加Ｉ２０１联 锁内容及远程控制顶油阀等，简化装置问题解决 途径，避免人为操作失误带来的装置聚合反应不 可控因素，保障装置的“安、稳、长、满、优”运行。 参 考 文 献 ［１］ 洪定一．聚丙烯——原理、工艺与技术［Ｍ］．北京： 中国石化出版社，２００７：３７４—３７６． 按照操作规程执行； ｂ．加强日常关键部位的巡检，增强岗位安全 意识，日常巡检必须走到、看到、想到、做到； Ｃ．内操加强盯表，积极开展有针对性的事故 ［２］ 张艳红．隔膜式计量泵补油系统的改进［Ｊ］．化工机 械，２００１，２８（１）：３８． 演练，多总结事故经验、多想多动脑，进行操作优 化； ｄ．建议在Ｄ２０１至Ｚ２０３系统顶油线上增设 （收稿日期：２０１６—１１—３０） （Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ Ｐａｇｅ ２４２） ｏｄ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｃ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｄｅ—ｎｏｉｓｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｈｉｇｈｅｒ ＳＮＲ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ＲＭＳＥ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｄｅ—ｎｏｉｓｉｎｇ，ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｍｏｒｙ ｔｅｓｔｉｎｇｗｅｉｇｈｔｅｄ ａｖｅｒａｇｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄ ，ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ （上接第２７８页） Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｑｕａｄｒｏｔｏｒ Ｕｎｍａｎｎｅｄ ＡｅｒｉａＩ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＧＵＡＮ Ｘｕｅ—ｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｌｉ—ｌｉ，ＣＵＩ Ｆａｎ，ＢＩＡＮ Ｑｉａｎｇ，ＳＵＮ Ｚｈａｎ－ｗｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｎ ＶＳ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａ ＳＴＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＵＡＶ（ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｊｏｉｎｔ ｄｅｂｕｇ－ ｇｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｓ ｗｅｌｌ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｇｏａｌ ａｓ ｅｘｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ＵＡＶ，ＳＴＭ３２，Ｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｌａｎｎｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
