无人机航姿数据采集与存储系统设计

第20期2016年7月No.20July ，2016

无人机航姿数据采集与存储系统设计

马玉猛

（中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉618370）

摘要：航姿数据是一项很重要的飞行数据，也是无人机进行自动控制必不可少的一项数据。文章针对

目前无人机存在现状，提出了一种基于微惯性传感器的航姿数据采集思路，完成系统所需要的硬件选择以及板卡的硬件电路设计，成功地将飞行过程中的航姿原始数据进行实时采集并保存。关键词：无人机；航姿数据；采集；存储江苏科技信息

Jiangsu Science &Technology Information 基金项目：中国民用航空飞行学院研究生创新项目；项目名称：无人直升机定向飞行控制系统设计与仿真；项目编号：X2013-16。作者简介：马玉猛（1990—），男，山东滨州，硕士；研究方向：航空电子。

0引言

近几年来，无人机事业发展迅速，从传统的军事用途，发展到民用，应用领域越来越广，现在已经出现了无人机送快递，伴随着无人机应用领域的变广，对无人机的控制要求也越来越高。无人机的控制离不开航姿数据，但现在有很多无人机人们无法获得其飞行过程中的航姿数据，严重阻碍了无人机的发展，针对这一问题，文章设计了一种航姿数据采集系统，能够将无人机飞行过程中的航姿数据进行保存，从而方便

人们后期进行分析以及对飞机进行改进［1］

。1设计思路

无人机航姿数据采集存储电路设计思路从图1系统电路图中可以看出，系统主要由3部分组成，数据采集传感器模块、单片机模块和数据存储模块。3个模块都位于一个底板上，底板上面还有非常多的数据接口，比如以太网接口、USB 接口、2.4G 无线接口等，这也方便后期对系统进行扩展，整个系统板卡不与飞机发生交联，不用过多考虑适航问题（如图1所示）。

2硬件选择2.1核心单片机

单片机负责连接前端传感器和后期数据的存储，

负责硬件间的通信，是系统的核心部分，必须选择高

性能的单片机以满足人们的设计需要，首先要有较高的运算能力，实时性高，其次要适应严酷的环境，由于系统要装备飞机，这就要求系统能适应多变的环境，同时还要求系统低功耗，因为要长时间在飞机上工作。基于以上考虑选择了stm32f103zet6型单片机。

Stm32系列单片机是由ST （意法半导体）公司研制生产，该公司于2007年6月发布了第一款stm32单片机，至今该系列已发布了上百个型号的单片机。stm32f103zet6具有丰富的外设资源和数据总线接口，有144个引脚，包括3个SPI 数据总线接口，2个I2S 总线接口，2个IIC 总线接口。3个12位的ADC 。4个通用的16位定时器和2个PWM 定时器，1个USB 接口，1个CAN 总线接口，1个SDIO 接口和5个USART 接口。丰富的外设接口可方便人们连接多种不同的传感器，也方便人们后期扩展更多的传感器和

功能［2］

。

2.2数据采集传感器

传感器主要负责数据的采集，捷联式惯性导航系统的主要数据就是三轴加速度和三轴角速度，传感器必须能够实时准确地采集这些数据，而且还要求抗干扰能力强，能够适应复杂的工作环境。

根据以上要求选择了InvenSense 公司生产的全球首个集成型的6轴加速度运动和角速度运动数据运行组件处理组件MPU6050，它集成了3轴MEMS （微机电系统）陀螺仪，3轴MEMS 加速度计，可数字输出三轴加速度和角速度，量程可编程控制。MPU6050也可以通过其I2C 接口连接非惯性的数字

传感器，比如压力传感器［3］

。2.3数据存储介质

数据存储模块主要是在飞行过程中将数据进行

图1航姿数据采集电路原理

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第20期2016年7月

No.20 July，2016

实时存储，根据实际需要数据存储模块应该具备以下功能：

（1）具有充足的存储容量。由于飞机需要长时间飞行，不可能也没必要每次飞行任务结束后都要对数据进行拷贝，这就需要存储设备能连续不断的存储数据，因此存储设备必须有足够的存储空间。

（2）拷贝方便。数据进行存储后，地面人员必须能方便地对其进行拷贝，以便后期做数据分析，因此最好选择可插拔式的通用存储设备［4］。

根据以上介绍和系统需求分析，选择SD卡非常适合系统需求。

3功能实现

3.1I2C通信协议

传感器与主机的通信采用IIC的通信方式，I2C （Inter-Integrated Circuit）协议是由Philips公司开发的，由于它具备引脚少、硬件实现简单、可扩展性强、不需要如USART、CAN的外部收发设备等特点，现在被广泛地使用在系统内多个集成电路（IC）间的通信。它只使用两条总线线路：一条双向串行数据线（SDA），一条串行时钟线（SCL），每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以通过这个唯一的地址对器件进行操作。多主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。

3.2SDIO驱动编写

SD卡由9个引脚与外部通信，支持SPI和SDIO 两种模式，人们采用SDIO方式与单片机通信。SDIO 接口包含CLK、CMD及4条DAT［3∶0］信号线。这6条信号线都是公用的总线，即新加入的设备可以并联接入到SDIO接口。SDIO主机是通过命令和SD从设备的响应来寻址的，所以不需要片选信号线。

CLK是卡的时钟信号线，由主机产生时钟信号，SD卡和SDIO卡的时钟频率可为0-25MHz。在命令和数据线上，每个时钟周期传输1位命令或数据。CMD为命令信号线，SDIO的所有由主机发出的命令及从机对命令的响应，都是在这个信号线上传输的。SDIO协议规定了非常多的命令，把这些命令分类别来整理，都有11种之多，包括基本命令、块读取命令、块写入命令、写保护命令、擦除命令、卡上锁命令、应用指定命令、I/O模式命令、功能选择命令及特殊的应用命令ACMD。DAT［3∶0］表示4条数据线，主机和从机的数据信号在这4条线上传输。

3.3文件系统移植

FATFS文件系统是常见的一种文件系统，主要应用于常见的单片机系统，分为FAT12，FAT32，FAT16三种格式，FATFS文件系统的头文件是独立进行编写的，由C语言的32个关键字构成。兼容性强，独立性

高，可方便地移植到其他嵌入式系统以及单片机上，比如51，ARM，AVR等，不需要作专门的修改，只需要将文件系统相关的头文件和代码移植到工程中，进行一些简单的配置，就可以实现文件的读写以及管理。

FATFS文件系统主要由3个模块构成：（1）底层接口。主要和底层存储设备打交道，比如光盘、SD卡、U 盘等。要根据不同的存储介质编写移植代码，通过接口函数对存储设备进行配置。（2）中间层FATFS模块。主要和存储设备建立联系，实现操作协议。FATFS模块提供头文件ff.c和ff.h，一般不需要修改。（3）顶层应用层。调用API接口函数通过中间层直接对文件进行操作，如f_open，f_write，f_read和f_close等，实现对SD卡数据的操作［5］。

3.4数据存储结果

首先用f_mount（0，&fs）程序在SD卡里注册一个工作区间，命名为0。然后用f_open（&fnew，″0：飞行数据.csv″，FA_OPEN_EXISTING|FA_WRITE）程序，该语句的功能是首先在SD卡注册的空间0里查找是否有一个名字为“飞行数据”的CSV文件，如果有则数据将保存在该文件中，如果没有则会新建一个CSV 文件，并命名为“飞行数据”。

这一步完成后就要进行航姿数据的写入，程序f_write（&fnew，&write_buf，sizeof（write_buf），&bw）实现了将write_buf里面的字符存入到地址为fnew的文件里面，上一条语句，人们已经将文件地 …… 此处隐藏：3104字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……