基于单片机的遥控摄像飞机的设计

[摘 要]单片机，兴起于上世纪70年代，经过多年的发展，从4位、8位发展到现在的16位，从当初仅仅应用在工业领域发展到现在单片机产品已经渗透到我们生活的方方面面。基于单片机技术的遥控产品也多种多样，涉及多个领域。文章中的遥控摄像飞机就是其中一种。飞机的飞行、摄像控制部分是整机的核心功能部分，这部分是由单片机及其电路实现的。

[关键字]单片机 飞行控制 遥控

一、引言

单片机，兴起于上世纪70年代，经过多年的发展，从4位、8位发展到现在的16位，从当初仅仅应用在工业领域发展到现在单片机产品已经渗透到我们生活的方方面面。

单片机技术作为控制技术的里程碑，其应用遍及工业控制、智能化仪器仪表、家用电器等领域。单片机是单片微型计算机的简称。它采用了超大规模集成技术，将微型计算机的中央处理器、存储器、输入/输出接口电路集成在同一块芯片上。构成小巧又完善的计算机硬件系统，在单片机应用软件的控制下，准确、迅速、高效地完成规定的控制任务。所以一片单片机芯片就具有组成计算机的全部功能。单片机芯片作为控制系统的核心，除了具有通用微机CPU的数值计算功能，还必须具备灵活、强大的控制功能。它抗干扰性强，工作温度范围跨度大；可靠性高；控制功能强，数值计算能力强；且单片机的指令系统比较简单、丰富。单片机的应用还改变了传统控制系统的设计思想和设计方法，以往需要硬件模拟电路来实现的部分功能，现在可以采用数字电路通过单片机编程来控制实现。

基于以上所述，文章中所述的遥控摄像飞机的核心控制部分采用了单片机家族中的代表性产品80C51。它是单片机经典51系列中的一款。51系列单片机是在上世纪80年代推出的，是单片机家族中最经典的代表，对整个单片机的生产影响深远。

二、整机设计

整个机身使用轻型材质，如机翼部分使用的是有硬度的泡沫。整机分为四大部分：机头，机身，机翼和机尾。机头与螺旋桨相连，根据飞机的大小及重量对螺旋桨进行调节。机身是整机的核心部分，机身密闭，内置遥控信号接收器，飞行控制系统以及进行摄像的相机。机翼使用轻型材质，根据机身重量调节大小，机翼与机身连接部分是转轴装置，能够在起飞和降落时调节方向。机尾连接尾翼，也可在结尾的部分加装紧急降落安全装置，以防飞机飞行出现故障或降落时将机身损坏。

三、机身内部设计及功能

机身核心部分为密封舱，包括给整机供电用的电池、起飞开关、电源开关、遥控信号接收装置、飞行和摄像控制系统、照相机、多种传感器、飞行控制程序导入接口、照相机内照片导出接口、电池充电接口。

电池是可反复使用的充电电池。电源开关的作用是控制电池与机身核心部分的电路连接。起飞开关的作用是控制螺旋桨与飞行控制系统，当遥控终端对飞机的飞行航线、时间、距离等设定完毕后，通过接口将设置导入控制系统中，开启起飞开关，飞机即可按照设定的航线进行飞行。

飞行和摄像控制系统的主要功能有：自动爬升到系统预设的高度，按设定好的航线自动飞行，按设定好的时间和间隔自动控制相机进行拍照，自动返航，自动达到降落高度，在设定好的降落半径内自动开启降落安全装置，自动收回相机镜头，自动断电等。

多种传感器主要包括相对高度传感器，温度、湿度、风力传感器等。飞行控制程序导入接口、照相机照片导出接口是飞机与控制终端或外界交互的唯一途径。

四、控制终端的功能

控制终端与飞机内的飞行控制系统相配合使用，控制终端可进行预先飞行路线及要求的设置，也可完成临时控制任务。控制终端的主要功能包括：与飞机取得信号连接，规划飞机航线，规划飞行高度，规划飞行面积，实时监控飞机状态，突发事件的应急处理，后期图像处理，测量部分拍摄面积。

终端内置飞机配套控制软件，可对飞行航线等进行设置，设置完成后，通过与飞行控制程序导入接口导入到飞机的飞行控制系统中，控制系统根据预先设定进行飞行。

飞行控制软件包括飞机控制，相机控制，遥测记录等几个模块。通过控制终端与飞机中传感器的通信，控制软件中可以监测飞机电压、飞行速度、相对高度、空气湿度、风速、气压等。软件中飞机控制部分可以预先设定飞机飞行航带的长度、宽度、高度、飞行区域飞行半径，相机拍摄的高度、时间间隔、范围等。

通过与飞机内置的遥控信号接收装置进行通信，控制终端还可进行实时飞行遥控。

五、遥控飞机的应用领域

遥控飞机的应用领域广泛，可以应用在军事，气象，农业等领域中。军事领域中可以用来勘测物理地形、地貌，进型侦查工作；在气象方面可以用来采集特定的气象图片，地貌图片，用来测试风速、气压、湿度、温度等相关气象参数；在农业方面可以用来勘测植株长势、分部情况，勘察农作物受灾情况、确定受灾面积及受灾区域。遥控飞机的应用可以节省许多人力物力，在空中进行俯瞰图像采集；在危险情况或人无法达到的情况下进行图像和各种参数的采集。

参考文献：

[1] 李移伦 . 单片机原理及应用[M] . 长沙：中南大学出版社，2006

[2] 周明德 . 微型计算机系统原理及应用 . 北京：北京航空航天大学出版社，1998

[3] 周立功 . 单片机网站：