【《基于STM32单片机的无人机避障系统设计》12000字】

基于STM32单片机的无人机避障系统设计摘要发在本次课题的研究设计中,论文首先简要地论述了课题的研究发展背景和其意义,并系统地梳理了国内外相关课题研究的发展现状以及与无人机激光避障系统相关技术发展的概况;然后通过实例分析了无人机在飞行中的基本原理,并提出了一种用于四旋翼的无人机机械结构设计方案，并详细完成机械传动结构设计、自平衡原理分析、电动机选型、螺旋桨设计以及机架等结构设计。其次,对基于STM32单片机的新型无人机专用激光运动避障控制系统集成电路设计进行了分析设计,完成主要的避障系统集成硬件和控制模块集成电路设计,其中主要包括激光单片无人机最小避障系统、激光运动避障控制模块、电源和运动信号数据传送控制模块、遥控模块以及显示模块等主要电路设计，最后对系统软件相关程序流程进行设计，从而设计出完整的无人机激光避障系统，实现低成本、高避障性能的无人机设计。关键词：单片机；无人机；激光避障目录55731绪论 128321.1课题背景 1302971.2课题意义 1180971.3国内外相关研究现状 110211.4本避障无人机设计方案总体综述 2248602无人机总体方案设计 3251112.1当前主流无人机类型分析 3181802.2机械结构设计要求 3248362.3系统设计的总体需求 5278502.4技术指标 5323082.5方案总体设计 3251112.6自平衡原理分析 3104863防撞装置选择 10182523.1各个关键部件设计 10182523.11电动机选择 10209483.1.2防撞保护罩设计 10119843.1.3保护罩应用范围 10231873.1.4旋翼设计 11209483.2机架设计 10119843.2.1设计原则 10231873.2.2材料选择 1196873.2.3机架结构设计 11215853.3单片机最小系 12256683.4激光避障模块 12134893.5电源模块 13302183.6信号传输模块 1496873.6.1主控电路 11215853.7遥控模块 12256683.8显示模块 12171744系统软件模块设计 13134894.1主程序流程设计 13302184.2避障流程设计 14134894.3低功耗设计 13302184.4计算机软件控制设计 1458985避障模块硬件组装与调试 17315565.1硬件组装 17149155.2硬件调试 18119843.2.1电路检查 10231873.2.2通电测试 11231873.2.2功能测试 112841结束语 2115805参考文献 222841附录 2131556A 1731556B 171绪论1.1课题背景近年来,伴随着无人机科学技术的成熟以及相关发展进步,消费级无人驾驶飞行器的市场兴起迅速,完善的无人机自动障碍物避离系统将有助于大大降低无人机因为运行问题而导致的各类安全事故所可能导致的经济损失,现阶段,避障技术的应用能力正在发展成为无人机自动话和智能化最为关键的一个前沿技术之一。对于一些社会公共安全领域,例如地震、消防等方面,需要了解急救环境开展最合适的救援行动，这时候使用无人机无疑是一个不错的选择，但如果你想探测更深入的现场，避障系统则是不可获取的一部分。经历过去一个阶段时间的磨砺,避障技术，已逐渐发展成为国内外的众多无人机制造生产厂家追逐的一个热点,许多无人机公司也开始研发和推出具有避障功能的消费级无人机。目前,市场上的多旋翼式避障无人机主要是采用以下几种类型的测距技术:超声波测距技术,红外线测距技术,激光测距技术和可视化测距技术。上述每一项检测技术都同样有它的优缺点,超声波当我们遇到毛皮,地毯等细小柔软的介质时,它们的检测精度和性能就会因此受到很大的降低,甚至完全失效,红外线的检测距离太靠近了所检测的距离,容易就会受到普通的电磁光波干扰;而且由于激光测距零件需要配备一些专业化的加工零部件,而这些零部件的价格相对比较高,维护成本也就可以说是一个小差距;视觉避障的技术需要处理大量图像信息,对于图像处理器的性能也提出了过高的要求。而且只是一种采用单一传感器和控制技术来进行避障控制的系统,它们所具备的避障功能不可以适应任何复杂、多变的情况。如何才能够在市场上设计得到一个行之有效而又廉价的无人机自动化避障技术来得到解决的方案,这仍然被认为是一个亟待解决的关键技术难题,国内外的相关科学家和研究单位仍然正在努力探索和实践中。1.2课题意义伴随着国内市场经济的迅猛发展,各行业都呈现出前所未有的蓬勃生长景象。其中的无人机也已经迎来了技术发展的春天,无人机就是一种利用手机进行无线电遥控器设备和手机自备的应用程序控制器而产生的不载人飞机,无人机能够在无人驾驶条件下实现复杂的空中飞行和负载任务。在这么多无人机的种类里面,最为具有代表性的应该就是一架四旋翼式的无人机了,这种类型的无人机最大不同之处就是它能够在飞机的起航和着陆时都是垂直地进行,人们在选择使用它时很简单,便于操纵员对其进行监视和侦查,无人机也能够将自己的飞向距离到一个目标较近的地方等等。然而，随着无人机的操作功能的多样化与复杂化，亟需对其避障性能进行研究，提高其飞行的安全。因此，本文提出了基于STM32单片机控制的无人机避障激光避障系统设计方案，深入探析激光避障的有效性与可行性。并在完成无人机基础机械结构的设计后，对系统控制电路以及软件相关程序流程进行设计，从而设计出完整的无人机激光避障系统，实现低成本、高避障性能的无人机设计，这对对提高无人机安全性与经济效益具有重要的意义。1.3国内外相关研究现状当前国内研究主要集中在对无人机飞行姿势的控制，多轴的无人机比起单轴的直升机，控制复杂程度增加；近年来随着电动机发展势头的突飞猛进，对其续航能力也越来越看重，在相关的电池点击领域也得到了更多的发展和研究方向。国外也在经历了二十年的沉寂、发展、爆发之后也迎来突破，不管是国内还是国外，现阶段都十分积极的在为新的感应技术做研究和突破。为了使得无人机更加轻便小巧，也更全面的加强了无人机的性能和功能。2012年jonghopark和youdankims提出了一种利用立体视觉传感器设计的四旋翼无人机自动回转避障系统解决的方案。通过引入一个虚拟输出解决了四旋翼的欠驱动以及对无人机运动力学的建模。利用立体视觉技术可以获取影像中的深度地貌图,通过从影像中得到的深度地貌图可以检测得到这些障碍物,然后利用手工设计岀这些障碍物的安全边界和碰撞圆锥。例如,当一架四旋翼无人机的运动速度向矢在与碰撞圆锥内相反位置时,四旋翼无人机就有可能会发出逃跑的指令,将其从空中飞行到所需要瞄准地。但是本次设计的主要缺陷在于检测系统只能针对一些形状正常规则而且是处于静态的障碍物而言对其进行检测,对于一些形状不正常规则或者是可以自由移动的障碍物检测效率极其差。2015年nischaygupta,jaspreetsinghmakkar和jspiyushpandey本文提出了一种利用室内超声波自动测距仪的传感器在未来可以实现室内飞行障碍物自动探测,即在室内无人机飞行避障中可以采取使用超声波自动测距仪的传感器。其操作方法主要原理是将四个a-hc-sro4超声波距离测距控制模块分别同时安装到四个螺旋翼翼和无人机尾部前后左右四个不同角度的运动方向盘上来对四个障碍物距离进行实时检测,并将实时测得的四个障碍物飞行距离通过数据对其进行实时分段化并回放进行归类,以便于及时判断飞机是否因为需要及时进行距离规避。这个新型设计虽然已经充分证明了小型超声波温度测距距离传感器已经能够广泛地准确应用于达到飞行无人机的安全避障,但由于目前所广泛采用的c-hc-sr04超声波温度测距距离传感器却仍然存在着由于检测结果精度不高且其在检测时没有直接进行检测温度自动调节等诸多缺点,其导致检测实验结果的精度误差过大,而且仅仅能够使用四个小型超声波距离测距点的传感器还不具备能够完全准确适应复杂的无人飞行环境条件。2014年,安徽大学的闫锦龙叫3针对室内等狭窄的工作空间,采用STM32单片无人机技术作为遥控无人机的自动主控控制芯片,搭配了小型室内红外线自动避障测距仪和激光自动传感器和简易的小型红外避障距离自动控制系统算法,设计成功开发研制出一款小型室内四轮同轴多功能旋翼小型红外避障自动智能遥控无人机,并通过长期实践研究验证了这款小型避障无人系统在国内的应用可行性。但是,该项新课题的具体设计只是因为测距仪使用了一种红外激光测距仪的数据传感器,且所设计采用的红外激光测距仪的数据传感器极其低端,误差大,测距仪的数据量程短,无法真正完全适应室内复杂的红外飞行环境条件2017年3月,哈尔滨理工大学张泽群16将其相互联系到激光测距仪、单目定位视觉影像图传感器和自动影像处理图像上传系统模块相互衔接结合在一起来打造成为四维多旋翼微型无人机室内障碍物位置检测信息系统,将即时实地定位与全景地图系统构建结合方法(SLAM)和结合激光测距仪将传感器、视觉图传系统等所结合获取的室内障碍物位置信息、无人机的室内位姿系统信息分别直接代入自动导航处理算法中用来直接进行对一架无人机的室内即时定位,不仅仅能够直接确定飞机在较长的飞行时间内或者较远的距离飞行中对该无人机的室内位置或者位姿信息系统是否可能会因此发生高度漂移。1.4本避障无人机设计方案总体综述本方案设计的无人机所设置的应用模块可以跟具使用者需要可以做出相应的修改，具有应用场景广，成本低，使用方便的特点，其所搭载的激光避障模块具有设计简单，搭载方式方便，精度灵敏，制造成本低廉，所需应用场景要求低的特点，不仅与本方案的无人机可以搭配，与其他各类型无人机搭配组合也比较便捷容易。两者的互相搭配可以展示避障无人机在多用途的应用领域的表现，本文的主要内容有：关于防撞无人机的基本结构设计，防撞保护设计，激光模块的设计。

2无人机方案总体设计2.1当前主流无人机类型分析目前市场上主要生产的存在几种类型的无人机,按照其基本功能进行划分主要有以下几种包括:航拍类,植保型无人机类,气象型无人机类,监控型无人机类,测绘型无人机,按规格和大小进行划分:微型无人机(0kg-7kg),轻型无人机(7kg-116kg),中性(116kg-5776kg),大型无人机(5776Kg)。本设计主要针对微型和轻型无人机设计,进行改进,防止无人机撞击后造成财产损失。2.2机械结构设计需求针对无人机防撞需求，本次设计主要提供两种解决渠道，一是在旋翼周围加装一种防撞隔离保护罩；二是在无人机底部加装激光模块。参考有该需求的无人机，主要是微轻型，故将本方案的无人机大小尺寸设为750mm*750mm*220mm左右，1）保护罩设计：根据无人机旋翼的大小，设计保护罩的大小尺寸；2）激光模块的设计：在保证低成本的同时，实现更好的高度预警；2.3系统设计的总体要求1）飞控数据传输至控制端的功能：能够即使方便地让操纵手了解无人机姿态，方位，速度等;2）图像、视频采集功能：将无人机所处周围环境准确记录，方便以后分析;3)高度检测功能：根据当初设定阈值，当达到高度阈值时，发出报警信号，以提醒操作人员；2.4技术指标按照前期提出的方案设计需要，提出以下设计指标1)数据通信周期:20±5ms；2)数据传输距离:3000米以内；3）保护罩强度：34mps4)高度传感器：高度范围在0-100m2.5方案总体设计四旋翼无人机的四只机翼被放置在机身两边,左右各二，大小形状都一模一样。他们是在同一水平线和高度线上，无人机由机体、控制模块和电源动力设备这三个部分组成，三个部分彼此相互配合又互寸在各自不同的功能区别。无人机的整个体也就是它的整个机架,电源动力设备主要指的是一个电源,电动机以及四个螺旋翼的设备,电源可以为一台电机运行和服务提供稳定的能量,电机可以为一个旋翼运行服务,这样一台无人机就可以正常地飞行;所谓的自动化控制设备指的是对无人机进行自动化控制的系统,主要用于传输指令。正常的设计当中,应该是把一架无人机的四个旋翼安置在一个平面上,这样可以确保整个无人机的上部的重量是四面均匀受力。这些设备主要功能是能够提供电源、传输数据和控制无人机等。其中针对本方案中的无人机保护罩的改造，它主要用于隔离旋翼，防止其与周围碰撞，如图2-1所示。图2-1四旋翼无人机的构造2.6自平衡原理分析四旋翼的无人机，本身就存在极其微妙的平衡关系，四根长度相同的轴线使之位于同一圆环四点，并且能够保持重心的位置。总之,四旋翼无人机之所以能够实现了平移、绕垂、旋转、俯仰、翻滚、上下升降等六个运动，全部仰赖与自身的平衡性。这个时候，一旦平衡被打破，例如，主旋翼失调，即会造成无人机偏离航道水平线的情况，又由于四个旋翼无法唉同一个水平面发生牵引运动，则会进一步导致无人机出现严重倾斜。此外，相邻两个旋转机翼的旋转是相反的，也就是说，四个机翼分别是顺时针、逆时针、顺时针、逆时针这样的顺序摆放。彼此相邻的两个之间永远不是一样的方向，整个机身是依靠机翼来完成上升。通过这种方式，来达到理想的飞行状态并且保持自平衡。当升力等于重力时则处于悬空停止状态。当向上的力增加时，则处于机身的上升状态，当向下的力增加时，则处于机身的下降的状态。3防撞装置选择各个关键部件设计3.1.1电动机选型如今,小型无人机的动力组件主要是发动机和内燃机。通过驱动带动螺旋桨和涡轮发动机的运转。尽管内燃机的效率高,输出功率也相对较大,如果单就效率而言其实最好的选择，但是它也有一个非常致命的缺点，调整速度是极其不方便的，因此，电力不高，续航能力不强的电动机反而成为首选。因为考虑到无人机飞行时间相对较短,所以电动机仍然成为了最佳的选择方案。驱动电机作为无人机最重要的设备部件之一。在很大程度上控制了无人机的飞行高度和各项参数指标，因此对电机的选择要慎重谨慎。确定无人机的各项基本性能指标后,电动机参数基本能够确定,以便无人机能够顺利执行低空飞行的任务。因此这个时候就要保证，电动机能够维持的飞行时间尽量的长，但又要地方电动机额定功率太大造成的欠载状态会大大降低无人机的效率，还会增加起飞时无人机的重量。另一方面,如果电动机的额定功率太小,电机过载。续航能力太低又会影响整个无人机的使用，所以根据以上的阐述，需要注意一下几点。首先是，在权衡无人机发动机相关参数的时候，需要考虑到发动机的重量。通过阅读相关的数据发现,无人机起飞升力与功率成正比。通过这种方式,因此,必须选择大功率的发动机,得到巡航时间的保证并完美配合螺旋桨。3.1.2防撞保护罩设计本设计方案中的防撞保护罩主要用于保护无人机的旋翼，因为无人机的主要动力来源于旋翼，在无人机工作状态中，旋翼一直处于高速自转的状态，容易对周围物体形成较大安全威胁，同时也损伤旋翼，因此需要一个保护罩将旋翼与周围环境相隔离。保护罩大体如图3-1所示.图3-1护罩大体详细尺寸如图3-2所示，外轮廓为半径为142.5mm,总体长度为239.2mm，高度为34.6mm图3-2详细尺寸由于考虑到该保护罩应时刻保护无人机旋翼，为了省去反复拆卸与装配的麻烦，因此将保护罩与无人机横梁一体设计生产，其与无人机横梁位置关系如图3-3所示图3-3无人机横梁位置关系图3.1.3防撞保护罩设计应用范围因为本设计方案中的无人机除了采用激光模块来保障安全外，还在无人机旋翼周围加装了保护罩来保障飞行安全，由此还需要对该保护罩进行受力分析和强力校核，以此明确该无人机的使用范围和注意事项，图3-4为保护罩受力概念。图3-4保护罩受力概念（局部）图3-5护罩受力概念图如图3-5所示，该无人机的保护罩主要保护无人机旋翼来自四个方向的撞击，它所受到的冲击力主要来源于当无人机向前运动时对周围物体所产生的冲击力对应的反作用力，因此分析无人机收到的撞击力，先要分析无人机的最大运动速度，质量等方面参数。由于本方案主要针对微型无人机，故假定其质量为0.6公斤，同类型无人机最大飞行时速为15m/s，它在受到撞击后时速瞬间将为0m/s，假设缓冲距离仅有0.1m，假设保护罩与接触物的碰撞面积为2平方厘米。则参考物理运动学关于加速度公式式（3.1）这之中=末速度=初速度=缓冲距离再参考牛顿第二定律F=ma式（3.2）F=所承受的撞击力则参考压力公式式（3.3)由公式可知瞬时压强达到了3375000帕，约为3.4MPa，由于我们选用的是碳纤维材料，碳素纤维树脂复合材料的强度一般情况之下都能超过3500兆帕,这样的直观的概念相当于是钢的7-9倍。完全可以承受冲击，保证旋翼的完好3.1.4旋翼设计对于无人机来说，旋翼是无人机的空气动力来源，四组旋翼高速自转，产生一个向下的推力，从而让空气对无人机产生一个反作用力，托举无人机，保障无人机完成飞行任务，旋翼的直径越长，在相同电机相同转速下其拉力越大，直径越小拉力越小。常见的有两叶，三叶和四叶。在其他各项技术指标相同的情况下，叶片越多其拉力越大，但是其转动惯量与空气阻力也就越大。电机使三叶桨达到与二叶桨相同转速时，需要的电流就更大，而当电流增加到十几安培乃至几十安培时，电机的内阻就会消耗掉一定的功率产生热量，而电机对桨产生的动能相对减小了一部分。使用多叶桨达到与两叶桨相同转速需要消耗的功率就更大。因此,通常的情况下,三叶桨和四叶螺旋桨的工作效率不如二叶螺旋桨的工作效率。所以对于多旋翼无人机我们使用二叶桨。如图3-6所示，图3-6二叶桨其详细尺寸如3-7所示，长260mm，单个叶片长122.5mm，中心轴直径为9mm。图3-7详细尺寸3.2机架设计3.2.1设计原则在进行最后机架设计时,需要遵循设计原则,从实际情况出发，考虑一下几个方面：材料，在保证成本低廉的情况之下保证材料一直要轻巧稳固并且坚固，一定要在轻巧、坚固两者之间综合考量，否则要么太重造成过载，要么过脆造成质量问题。结构合理，容易后期的拓展和下一步的装置，否则不易于制造和组装；牢记过程，保证机架本身的可拆卸性，能够比较快捷的进行维修，调理和更换，便于安装和拆卸零部件；抗震性，不能再运行过程中经过外部干扰因素或者运行时的颠簸和震动就导致整个无人机的瘫痪和宕机；易于维护和保养，机架要能够具有一定的抗腐蚀性，可以保证使用的时间能够尽量长一点，延长使用寿命，尽可能多的节省使用成本。3.2.2材料选择在整理归纳多方的资料和数据，进行最终次论证和权衡之后，最终决定将四旋翼无人机的框架材料选择碳纤维。这种材料的含碳量高达95%。具有极高的韧性，可以保证不会轻易损坏导致无人机无法使用，而且其材质也十分轻便，强度甚于钢铁。尤其明显的是其耐腐蚀、模量高的特点。足以使之广泛应用于社会各个层面，如公共安全的探测、军事工业等各个不同领域。从微观角度来看,碳纤维其实与传统的人工石墨极为相似,其结构无序且有杂质层。每一层之间的中心点距离大约为3.39a至3.42a,都是以碳原子相隔。而且还存在原子之间互相排列不规则的情况。每一层跟各层之间相互连接的同时所需要依靠的就是范德华力一般而言,我们可以把碳纤维相互地比作就是由各种排列有序的结晶物和孔道所构成。碳纤维包含了所有碳性原料的特点,而碳素纤维树脂复合材料则是包含了炭纤维的一切特点并且还有优化和提升。碳素纤维树脂复合材料的强度一般情况之下都能超过3500兆帕,这样的直观的概念相当于是钢的7-9倍。除此之外,碳素纤维树脂复合材料的比模量也要远远高于普通的钢铁材料。与原来的玻璃纤维相比,这种新型纤维材料的密度已经超过了两倍于杨氏模量,而且耐腐蚀极强,可以很好的保证其质量。可以通过孔隙率的变化和强度反映出,其模量和强度已明显呈现反比例变化。层与层之间的剪切强度均会受到影响,弯曲强度与弯曲模量亦均会因为受到了不同程度的影响而导致改变。拉伸的强度随着孔隙率的大小发生变化,它们也是按相反方向发生变化,拉伸模量几乎没有那么多地受到孔隙率大小的影响。这种新材料的纤度也是十分可观，通过研究发行，在一般情况下为19克，但拉力异常强大，甚至可以达到每微米300kg。就拉力的强度而言，目前现阶段极少有无知能够强于碳纤维。如果处于没有空气的真空装填，碳纤维依然可以凭借自身优良的承受力耐受高于3,000度的温度。并且形成维度与强度成正比的趋势，温度越高，碳纤维越强。然而，遗憾的是，这种材料的强度不尽相同，并且径向强度明显小于轴向强度，因此最好不要使用径向的强力，以免造成不必要的浪费。除了高耐温性之外，碳纤维还具有耐低温。当温度很低时，它不会脆化而导致损坏。在化学性质层面来看,碳纤维的类似于碳。只有足够浓度的强化剂才能致使其氧化。如果在温度处于400摄氏度的条件之下,也可能会使空气中出现氧化,这个时候就会产生一氧化碳和二氧化碳。此外,处于化学层面,碳纤维的耐蚀性依然是其中的佼佼者,在大自然中技术是不可能生锈。30年前就有人员做过一个至今为止扔在继续的漫长实验。1980年的一个周末时候,一群美国研究者把一些碳纤维材料放置在强烈的碱比如氢氧化钠的氨水溶液里面中并进行高温浸泡。三十多年后的今天,它仍然保持原本的原始状态。当然,这种铝合金材料也是并非坚如金银,其实它本身所能承受的外力是很小的,非常容易被它们所破坏,在强酸的影响下,会出现一种被氧化的现象,因为这种碳纤维它的电动势确实是正值,不过这种铝合金的电动势确实是一个被称为负值,所以它是在强酸的影响下才会发生被氧化。当我们碰到了碳纤维及铝合金、钢铁、金属时就会出现有对话、渗碳及其他电化学性质的腐蚀。当使用这些材料,我们必须先做一些表面的处理来维护无人机后期的状态。3.2.3机架结构设计机架始终是无人机最重要的组成部分，对于整个机架而言，其最主要的功能除了美观之外，更重要的是其实用性，也就是其对各个部位的连接和支撑。虽然市面上有多种材料可以拿来参考和选择。但机架对材料的要求必须过硬，这是无人机的中枢，全靠它支撑着，因此，能够充分减轻机身重量的时候还要保证硬度必须高，强度必须高，密度必须小。一般有金属、塑料、碳纤维等。根据飞行方式，一般分为“X”字形或者“十”字形两种形式。本设计采用以碳纤维为原材料，配以“x”字形的机架设计，机架的设计效果如图3-8所示。图3-8机架的设计效果详细尺寸设计如图3-9所示，上端隔离板为180mm*116mm，下端托板为223mm*223mm总体支架高度为130mm。图3-9详细尺寸设计3.3单片机最小系在选择单片机时，需要综合考虑其实际需求，STM32系列的F103C8T6款式，成本则比较低。目前的STM32有32个内部Cortex-M3处理器。STM32具有良好的能耗控制能力，在语音、指纹和人脸识别模块中具有良好的控制功能。在STM32、STM32、F105/107207/407等标准中，采用m3芯的相对较高。STM32应用程序有许多便利。STM32的PCB（printedcircuit）由于某些复用功能具有映射特性，因此该板的设计更加方便快捷；当所有ISO接口都启用了中断输入时，所有ISO端口都满足“中断”的要求，并且没有连接到多个特定的管脚，这将大大简化设计，并在原理上或PCB上支持ISO端口的测试。当时，从代码的开发和下载来看，如果没有足够的引号，这两个ISO行是否基本适用于该型号就没有必要了。窗口可以下载方案。STM32保留了优秀的功能，大大降低了开发成本。小型控制单元在集成系统应用中，根据设计要求采用的设备。MCU开发系统一般不提供最小系统。核心大小32位，速度72MHz，程序存储器容量256KB，程序存储器类型Flash，RAM容量48KB，I/O端口和内部设备和外部设备的数量多。芯片的电源为2V～3.6V，具有低功耗模式的各种功能，满足低功耗应用的要求。3.4激光避障模块有效和安全地实现自主飞行的方法是无人机在室内和陌生环境下飞行的第一要素，因此，在设计无人机的时候保证其自主避障的能力就显得十分重要，无人机不仅能获得飞机周边的环境信息，还要根据获得的环境信息进行障碍物回避处理和路径计划设计。飞机的室内定位模块主要是利用在飞机上安装的外部传感器来实时获取飞机的位置信息,并且通过绘制出所需要画好的环境地形图,将避障系统分为针对飞行器中各个障碍物进行检测和路线规划两个部分进行完成。无人机可以用障碍物检测模块来识别障碍物,计算得出障碍物与机身之间距离相关性的信息。路径规划模块根据飞机和障碍物之间距离测量的相关信息来调整飞机的航程和路径,以避免飞机的障碍物。在室内自主飞行中，不仅需要确定四重转子的位置和姿势，还需要确定障碍物并安全避免。自主障碍物避免模块是通过图像发送模块设计的。图像信息通过图像传输模块传递到障碍物避免系统，使用障碍物避免算法进行图像识别，检测周围环境。在自主障碍物避免模块的设计中，为了减少图像识别中的计算量和消耗功率，因此设计了基于激光单目视觉系统和图像传输模块的组合的自主障碍物检测系统。根据物体表面检测到的激光点来确定障碍物和当前体的距离，然后估计矩形物体的移动距离以避免安全障碍物。3.5电源模块电源插孔使用的是POWER_JACK_3。AMS1117-3.3LMI084是一种提供输出端和电压频率范围分别为3.3v的正向电和低压电的升降式直流稳压器,此款稳定器拥有自我保护机制，一旦内部集成过热保护就会开启限流电路，是四旋翼无人机的最佳选择。图3-11电源模块电路设计图3.6信号传输模块在信号传输模块中为了增加通信距离，数据发射模块采用收发器+PA+LNA的技术方案。在发送数据时，RF信号由内部PA放大，然后输出到外部匹配电路，然后发送到外部功率放大器芯片，并经由天线发射。当接收到数据时，天线首先拾取RF信号，并经由匹配电路经由外部低噪声放大器将其发送到收发机，并且收发器提取在内部放大后的载波上有用的信息。3.6.1主控电路图3-12主控电路图主控芯片采用STM32F103C8T6，工作频率72Mhz，主要用来进行据帧格式的转换，收发缓冲控制和接口变换等都在前一版本的基础上得到了整体的提升。3.7遥控模块遥控器可以控制俯仰角、横滚角、偏航角和发动机，也可以控制水平飞行速度、垂直升降速度和偏航角。第三摇杆可以拿来用于控制云台的俯仰角和偏航角。遥控器还具有启停按钮、一键返回按钮、喷洒操作按钮等辅助功能，指示灯可显示燃油量、电量、网络连接状态、操作状态、发动机状态、飞控状态。另外，飞行控制系统的功能可通过16位拨号开关进行设置。它有两个USB端口。迷你USB接口与主机进行数据交换，USB-a接口用于连接手机。3.8显示模块显示器应能显示数据和图形，考虑到同一块液晶屏尺寸越大，功耗越大，综合考虑之后，还是选用了0.94英寸的OLED显示板，该显示器的电流消耗相对较低，能够满足系统要求，采用红蓝双色块屏。图3-13显示模块电路设计图除此之外，还带有LED发光二极管的显示状态，分别为红、绿、蓝三种颜色光的闪烁状态。图3-14LED发光二极管的显示状态

。4系统软件模块设计4.1主程序流程设计通过遥控对无人机的控制，即可实现无人机的姿态调整高度控制，启动与停止，一件返回，应用功能等具体指挥，如图4-1所示。图4-1遥控控制概念4.2避障流程设计在设置规避障碍的时候，需要想采集图像数据，然后通过系统判断激光光斑是否在，如果存在即使用补偿算法，计算障碍物位置并重新规划路线，如果激光光斑不存在，就直接返回即可，如图4-2所示。图4-2避障流程4.3低功耗设计为了进一步提高STM32芯片的工作效率，本文将操作系统实时移植到芯片上计划。使无人机在没有命令的情况下可以直接进入待机状态，如图4-3所示。开始开始关闭中断初始化调用低功耗功能查找最高优先级运行最高优先级让对应人物就绪中断服务程序中断源图4-3低功耗设计4.4计算机软件控制设计为进一步改善和提升无人机的使用体验,针对当前无人机使用者比较多的基于安卓系统的移动设备开发一款应用,从而使得广大用户只需经由使用该应用界面就可以随时地查看到与无人机有关的信息。并且要结合当前的电子计算机研究和开发这项新技术,如图4-4所示。图4-4计算机软件控制流程

5避障模块硬件组装与调试5.1硬件组装在避障无人机的设计过程中，重点在于避障模块。通过焊接工具、购买后的电子元器件来实现其实物的焊接制作。激光避障无人机的避障模块在完成时需要做到以下点：分析避障模块的电路图及系统功能，从而构思系统的电路板的焊接布局，为整体焊接完成做好准备。模块在设计和制作的过程中,按照电路框图,将激光传感器模块、电容、电阻、发光二极管、电源插座、显示屏、单片机等多个芯片全部布局完成,焊接完成如图5-1所示显示屏幕位于左下角，用以显示传感器探测到的障碍物距离，电源接口位于左上角通过数据线即可接通电源，模块即可进行工作。图5-1焊接完成图从整体来看，模块布局合理，紧凑，质量轻便，适宜在多种场景下搭载。5.2硬件调试5.2.1电路检查给硬件电路板放置好之前,不要再外加任何信号,进行一次电路测试。对照设计好的硬件电路图,对电路板各模块依次检查。使用常见的机载电压密度计量器仪表进行测试工作方式逐一仔细检查机载电压控制器在各个集成电路板上的各个电路板连接线、元器件的电路安装工作方向和各个电路单元以及芯片的电路焊接工作情况。如果检查这些情况均正确无误,则可进行下一步通电调试。5.2.2通电测试完成第一步的电路检查后，对电路板通电，。实验测试过程，需要外部电源给电路板提供5V电压。通电后，观察电路板是否发出刺耳的声音或者散发出明显的气味，触摸电路板的温度是否正常、电路中设计的指示灯是否发亮等。均无异常，则可进行下一步，使用电压表分别测量对应芯片供电引脚的电压值。，可满足工作要求。完成之后，说明硬件电路板能够正常使用。5.2.3功能测试将组装好的激光模块，接通电源分别按照两种距离情况予以实验，结果如表格，接通电源状态如图5-2项目屏幕显示警报鸣响工作状态距离地面高于一米Distance032cm无平稳