空地协同智能消防系统——无人机、小车协同

1 题目

1.1 任务

设计一个由四旋翼无人机及消防车构成的空地协同智能消防系统。无人机上安装垂直向下的激光笔，用于指示巡逻航迹。巡防区域为40dm×48dm。无人机巡逻时可覆盖地面8dm宽度区域。以缩短完成全覆盖巡逻时间为原则，无人机按照规划航线巡逻。发现火情后立即采取初步消防措施，并将火源地点位置信息发给消防车，使其前往熄灭火源。空地协同巡逻及消防工作完成时间越短越好。

1.2 任务点

1、基本要求（50分）

• （1）参赛队需自制模拟火源。模拟火源是用电池供电的红色光源，如LED等，用激光笔持续照射可控制开启或关闭：持续照射2秒左右开启，再持续照射2秒左右关闭。（5分）
• （2）展示规划的巡逻航线图，在消防车上按键启动无人机垂直起飞后，无
  人机以18dm左右高度，在巡防区域按规划的航线完成全覆盖巡逻。（22分）
• （3）无人机与消防车之间采用无线通信；巡逻期间无人机每秒向消防车发
  送1次位置坐标信息，消防车上显示器实时更新显示无人机位置坐标信息。（8分）
• （4）巡逻中，消防车显示器显示巡逻航迹曲线，计算并显示累计巡逻航程。（8分）
• （5）完成巡逻后，无人机返回，准确降落在起飞区域内。（7分）

2、发挥部分（50分）

• （1）手动操作激光笔点亮-一个火源。在消防车上启动无人机巡逻。无人机
  按规划航线巡逻，发现火情后，前往接近火源(水平距离≤5dm)识别确认，再在无人机上用LED指示灯示警。（8分）
• （2）无人机飞至火源地点上方，降低至10dm左右高度，悬停3s后抛洒灭
  火包，灭火包落在以火源点为中心、半径3dm圆形区域内；再将火源地点位置坐标发送给消防车，然后继续巡逻，完成后返航回到起飞点。（12分）
• （3）消防车接收到火情信息，显示火源地点位置坐标后，从消防站出发前
  往火源地点，途中不得碾压街区及其边界线，在5dm距离内以激光笔光束照射模拟火源将其熄灭。（15分）
• （4）熄灭模拟火源后消防车返回到出发区域内。发挥部分限时360s内完成。（10分）
• （5）其他。（5分）

1.3 设计部分

1.3.1 模拟火源

该部分的要求如下：

模拟火源可用电池供电的红色LED等，需带向上的喇叭形遮光罩，遮光罩角度约60°左右，高度不超过10cm。可用激光笔控制其开启或关闭。

示意图如下：

外部遮光罩可仿照宠物防咬罩进行修改：

内部LED灯罩是为了扩大灯光面积，以便系统内图像识别系统的工作。同时为了提高小车激光跟随算法的工作效率，需要扩大光敏传感器检测区域，建议使用人体微波检测模块上的塑料透镜，以达到聚光的效果。

电路设计图：STC8最小系统板加两节1.5V干电池，一个红色LED，300Ω左右的电阻，一个光敏传感器就差不多了。

程序设计：程序中用到一个GPIO输出、ADC、定时器。

1.3.2 小车部分

该部分要求如下：

消防车要求使用 4 轮电动小车，长宽投影尺寸不大于 20cm×35cm，高度不大于 40cm；不得使用麦克纳姆轮。

1、底盘与电机：

（1）底盘：自选。

（2）电机：最好使用带编码器的金属齿轮减速点击，能够得到转速和角度，以便估测小车位置，更好地控制小车。

（3）电机驱动：H桥电机驱动模块。

（4）电池：12V高倍率锂电池组。

最好找要带有电机驱动的、编码器接口、能够降压给主控供电的小车底板，比如开山斧电机驱动模块。

2、主控芯片

（1）盘古：

如果选择TI的，盘古这块系统板开发起来还是比较顺手的，用起来Bug少。板子上有OLED驱动芯片和加速度传感器、蜂鸣器、多个按键、串口接口多。

（2）TM4C123GXL：

这块板子十分不推荐，调试接口有问题，驱动也不好打（ICDI，要安装CCS），性能也比较差，供电端口也少，写代码的时候Keil闪退无数次，硬件跑程序也容易进中断卡死。

要是有别人改过的、开发好的成品，用用还是可以的。

3、显示屏

建议使用陶晶驰的串口屏，配置方便，代码简单，能够回传字符串。

引脚：5V、GND、TXD、RXD

4、无线模块

可以使用蓝牙、WIFI、Lora等等。

无线模块建议采用有广播功能的模块，这样多机调试更加方便。

引脚：VCC（5~3.3V）、GND、TXD、RXD

今年还允许使用UWB，能够实现无人机和小车的精确定位，还能够传输数据，只要来得及开发代码，可以说是降维打击，不过价格还是比较昂贵的。

5、机器视觉和舵机

对于模拟火源的检测，有OpenMV方案和K210方案。

OpenMV模块有控制舵机的例程，可以控制激光笔关闭模拟火源，但溢价过多，可以自己DIY。

6、IMU

这个主控板上有就最好，没有就用模块化的MPU6050，不过要安装在小车中心处。

7、其他模块：

（1）灰度传感器：白光照射不同颜色的地面，反射回的光强不同，可以进行巡线等任务。

（2）激光头。

（3）...

1.3.3 无人机部分

直接购买成品化的TI无人机，主控板可以使用前面提到的主控。

2 程序设计

我主要是做小车的，因此讲一下我小车的设计方案。

小车上主控板选用TI 盘古的开发板，板载芯片为TM4C123GH6PZT7，MCU内核为ARM Cortex-M4F，MCU最大主频为80 MHz，工作电压范围1.08 V-3.63 V，RAM为32 KB，Flash大小为256 KB，EEPROM为2 KB，核心位宽为32-Bit，ADC为12 bit。

外设和内部资源需要使用串口屏、蓝牙模块/UWB模块、定时器、PWM、LED输出、按键输入（这个可以使用串口屏的按键串口信息回传事件替代）、蜂鸣器驱动。

2.1 蓝牙模块配置

本人使用的是大熊智能的双模蓝牙模块，两个蓝牙模块配对的话需要设置一主机一从机，以下蓝牙模块连接CH340模块，在电脑上使用AT命令配置两个模块。默认使用115200波特率连接。

蓝牙从机，连接无人机：

AT+NAME=DX2003-S		# 设置从机名称
AT+MASTER=01			# 设置从机工作模式
AT+BAUD=115200			# 设置波特率为115200
AT+LADDR				# 读取从机蓝牙地址，以便主机连接

+LADDR=22345000891f

蓝牙主机，连接小车：

AT+NAME=DX2003-M		# 设置主机名称
AT+MASTER=04			# 设置主机工作模式
AT+BAUD=115200			# 设置波特率为115200
AT+CONN=22345000891f	# 主机连接从机地址

连接上之后：

(1)主机显示：

IM_CONN:0		# 0代表是BLE连接上，1代表是SPP连接上

(2)从机显示：

IM_CONN:8

蓝牙断开连接命令：

AT+DSCET=1	

2.2 串口屏界面设计

串口屏使用USART HMI软件绘制界面，需要进行界面排版，字库添加，程序编译。

软件下载及学习链接：

http://mall.micromove.cn/start/download_ide.html

2.2.1 串口通信协议

1、串口屏接收：

协议为：字符串+HEX标识符

HEX标识符为：\xff\xff\xff

USART HMI软件上仿真不需要添加HEX标识符（\xff\xff\xff）。

例子：

如果是串口屏使用CH340连接电脑，则电脑上的串口工具输入（不要加空格）：

t0.txt="陶晶驰电子"\xff\xff\xff
b0.txt="Hello World"\xff\xff\xff
j0.val=100\xff\xff\xff
page0.bco=WHITE\xff\xff\xff

如果是MCU串口发送数据：在2.4.2中详述。

2、串口屏发送：

（1）prints：从串口打印一个变量/常量。

（2）printh：从串口打印16进制。

2.2.2 绘图函数

主要使用的有：

（1）cirs：绘制实心圆

cirs x,y,radius,color\xff\xff\xff
cirs 160,266,6,RED\xff\xff\xff

（2）line：绘制直线

line x_start,y_start,x_end,y_end,color\xff\xff\xff
line 185,246,185,26,BLUE\xff\xff\xff

（3）插入图片

pic x,y,picid\xff\xff\xff					# picid为软件插入的ID号为x的图片
pic,123,150,0\xff\xff\xff

2.2.3 串口屏界面设计

小车能够通过蓝牙串口接收无人机传回的航点数据（协议A）和火灾位置数据（协议B），并在串口屏上显示出蓝色原点和红色六角形。

2.3 无人机与小车之间的通信协议设计

1、无人机通过串口发送给小车的字符串：

A,160,150,F			// 无人机航点坐标(160,150)
B,250,100,F			// 模拟火源坐标(250,100)
C,1,F				// 模拟火源ID: 1

A类表示无人机航点，F为结束标志位

B类表示无人机检测到的火源坐标，F为结束标志位。

C类表示无人机检测到的模拟火源所在的区域ID，F为结束标志位。这个协议可以不发送，直接小车通过B类协议计算模拟火源位置。

2、小车通过串口发给无人机的字符串只需要一个按键使能，使用按键输入或者串口屏的点击，通过蓝牙串口发送"TakeOff"字符串，无人机检测到就能起飞了。

2.4 小车程序设计

首先进行各个部分的初始化，然后进入while(1)循环，循环内写入大部分处理函数。中断处理函数中存放处理函数的使能位，当某些函数工作时间较长，需要在中断中使能标志位，然后在主函数main中进行处理，以免造成中断阻塞。

2.4.1 蓝牙串口程序

蓝牙串口程序包括串口初始化、串口发送、串口中断服务函数（串口接收）、串口数据解析等部分。

1、主函数：

#include "stdio.h"
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
// ......

// 全局变量
char uart4_rec_temp[50];		// 接收到暂存的字符数组
bool uart4_rec_check_flag = 0;		// 接收数据解包的标志位

// ......

int main(void)
{
	ROM_FPUEnable();//使能浮点单元
	ROM_FPULazyStackingEnable();//浮点延迟堆栈,减少中断响应延迟  
	ROM_SysCtlClockSet(SYSCTL_SYSDIV_2_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ | SYSCTL_OSC_MAIN);//配置系统时钟
	initTime();					// 初始化滴答定时器
	GPIO_Init();				// LED灯初始化
	// ......
	ConfigureUART4();			// 初始化蓝牙BLE-串口4
	UART4_BLE_CONNECT();		// 串口4连接蓝牙
	// ......
	
	while(1)
	{
		// ......
		uart4_data_check();		//串口4数据包解包
		// ......
	}
}

2、串口初始化：

// 蓝牙-串口4驱动 PC4/PC5
void ConfigureUART4(void)
{ 
    ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOC);// Enable the GPIO Peripheral used by the UART.
    ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_UART4);// Enable UART0
    ROM_GPIOPinConfigure(GPIO_PC4_U4RX);// Configure GPIO Pins for UART mode.
    ROM_GPIOPinConfigure(GPIO_PC5_U4TX);
    ROM_GPIOPinTypeUART(GPIO_PORTC_BASE, GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5);
	UARTConfigSetExpClk(UART4_BASE,SysCtlClockGet(),115200,
												(UART_CONFIG_WLEN_8 | UART_CONFIG_STOP_ONE | UART_CONFIG_PAR_NONE));
	UARTFIFODisable(UART4_BASE);			// 使能UART4中断
	UARTIntEnable(UART4_BASE,UART_INT_RX);	// 使能UART4接收中断
	UARTIntRegister(UART4_BASE,UART4_IRQHandler);	//UART4中断地址注册
	IntPrioritySet(INT_UART4,USER_INT3);			//中断优先级设置USER_INT3（0最高）
}

3、串口中断服务函数：

void UART4_IRQHandler(void)		//UART4中断函数-蓝牙BLE接收中断（无人机信息发送给小车）
{
	uint32_t flag = UARTIntStatus(UART4_BASE,1);//获取中断标志 原始中断状态 屏蔽中断标志		
	UARTIntClear(UART4_BASE,flag);//清除中断标志	
	char ch;
	while(UARTCharsAvail(UART4_BASE))//判断FIFO是否还有数据		
	{
		ch = UARTCharGet(UART4_BASE);	
		uart4_rec_temp[temp_cnt] = ch;
		temp_cnt ++;
 	}
	if(ch == 'F')
		uart4_rec_check_flag = 1;			// 接收数据解包的标志位置1
	if(temp_cnt >= 50)						//数组存满后清空
	{
		memset(uart4_rec_temp, 0, sizeof(uart4_rec_temp));		// 清空字符数组
		temp_cnt = 0;
	}
	bit_data = !bit_data;
	GPIOPinWrite(GPIO_PORTF_BASE, GPIO_PIN_5, bit_data);		//置低位点亮，保持闪烁，如果LED不闪烁了，表示程序卡死了
}

4、串口发送函数：

void UART4_SendString(const char *string)
{
	int len = strlen(string);
	while(len--)
	{
		// 等待UART发送缓冲区为空
		while(UARTSpaceAvail(UART4_BASE) == 0);
		
		// 发送字符到UART
		UARTCharPut(UART4_BASE, *string++);
	}
}

5、解析串口接收到的数据：

首先检测第一个数是否是"A"或"B"，然后检测字符串最后一个字符是否是"F"。接着索引字符串中的","，将中间的两个数字字符串拆分出来，使用atof()函数将字符串转换为浮点数。最后将获得的浮点数存入对应的变量中，或者使用调试接口输出，或使用OLED屏输出。

// 串口4数据包解包
void uart4_data_check(void)
{
	if(uart4_rec_check_flag == 1)		// 分析uart4_rec_temp中的数据
	{
		uart4_rec_check_flag = 0;
		if(uart4_rec_temp[0] == 'A')		// 是无人机XY坐标数据包
		{
			int len = strlen(uart4_rec_temp);
			if(uart4_rec_temp[len-1] == 'F')
			{
				char* token;
				token = strtok(uart4_rec_temp,",");
				token = strtok(NULL,",");
				uart4_rec_x[uav_cnt] = atof(token);
				token = strtok(NULL,",");
				uart4_rec_y[uav_cnt] = atof(token);
				uart4_flight_dist = uart4_flight_dist + sqrt(pow(uart4_rec_x[uav_cnt]-uart4_rec_x[uav_cnt-1],2) + pow(uart4_rec_y[uav_cnt]-uart4_rec_y[uav_cnt-1],2));
				printf("A-X: uart4_rec_x[%d]:%f\r\n",uav_cnt,uart4_rec_x[uav_cnt]);		// 测试
				printf("A-Y: uart4_rec_y[%d]:%f\r\n",uav_cnt,uart4_rec_y[uav_cnt]);		// 测试
				printf("A-D: uart4_flight_dist[%d]:%fm\r\n",uav_cnt,uart4_flight_dist/100);		// 测试
				// ......
			}
			// 处理完成后，清空uart4_rec_temp
			memset(uart4_rec_temp, 0, sizeof(uart4_rec_temp));
			temp_cnt = 0;
		}
		else if(uart4_rec_temp[0] == 'B')		// 是火源XY坐标数据包
		{
			int len = strlen(uart4_rec_temp);
			if(uart4_rec_temp[len-1] == 'F')
			{
				char* token;
				token = strtok(uart4_rec_temp,",");
				token = strtok(NULL,",");
				uart4_fire[0] = atof(token);
				token = strtok(NULL,",");
				uart4_fire[1] = atof(token);
				printf("B-X: uart4_fire[0]:%f\r\n",uart4_fire[0]);		// 测试
				printf("B-Y: uart4_fire[1]:%f\r\n",uart4_fire[1]);		// 测试
				// ......
			}
			// 处理完成后，清空uart4_rec_temp
			memset(uart4_rec_temp, 0, sizeof(uart4_rec_temp));
			temp_cnt = 0;
		}
		else
		{	// 没找到A/B数据包，清空uart4_rec_temp
			memset(uart4_rec_temp, 0, sizeof(uart4_rec_temp));
			temp_cnt = 0;
		}
	}
}