机场跑道异物检测（FOD）节点

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一、项目开发背景

机场跑道的安全对于航空运输的顺畅和安全至关重要。在机场跑道区域内，哪怕是微小的异物，如金属碎片、石子、塑料片等，都可能对飞机的发动机、起落架等关键部件造成严重损害，进而危及飞行安全。传统的跑道异物检测方法，如人工巡检，存在劳动强度大、检测效率低、容易遗漏异物等问题。

随着航空航天技术的快速发展和航空运输量的不断增加，对机场跑道异物检测的要求也日益提高。近年来，毫米波雷达技术、人工智能技术以及无线自组网技术取得了长足的进步，为机场跑道异物检测提供了新的解决方案。通过使用毫米波雷达可以精确探测跑道上的异物，结合边缘计算利用深度学习模型对目标进行识别，再借助自组网技术将数据实时传输到控制塔，可以实现高效、准确的机场跑道异物监测，大大提高机场跑道的安全性。

本项目旨在开发一款机场跑道异物检测（FOD）节点，整合毫米波雷达探测、边缘计算识别和无线自组网传输等功能，为机场跑道异物检测提供一种可靠的解决方案。

二、设计实现的功能

（1）毫米波雷达探测功能：利用毫米波雷达对机场跑道进行全方位扫描，能够以≥5mm 的精度准确探测出跑道上的金属异物，及时发现潜在的安全隐患。 （2）边缘计算目标识别功能：在检测到异物后，边缘计算模块运用预先训练好的 CNN 模型对目标类型进行识别，快速确定异物具体是什么物体，为后续处理提供更准确的信息。 （3）自组网Mesh传输功能：通过自组网 Mesh 技术，FOD 节点能够自动与其他节点进行组网通信，将探测和识别到的数据高效、稳定地传输至控制塔，实现对跑道状态的实时监控。 （4）数据显示与存储功能（可扩展补充）：在控制塔端或本地配备相应的显示设备，可直观展示跑道异物检测结果和数据信息，同时支持数据存储功能，方便后续数据分析、查询和追溯。

三、项目硬件模块组成

（1）主控模块：采用 STM32F103RCT6 作为主控芯片，该芯片具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等优点，能够满足整个 FOD 节点系统的控制和处理需求。并且通过外挂 QSPI Flash，用于存储轻量化移植的 TensorFlow Lite 模型。 （2）雷达模块：选用 IWR1642 毫米波雷达模块，工作频率为 60GHz，具有高精度的探测能力，能够准确探测距离内跑道上的金属异物，其先进的雷达信号处理能力为实现高精度异物检测提供了硬件支持。 （3）通信模块：NRF52840 作为通信模块，支持双模 BLE（低功耗蓝牙）+Thread 协议。BLE 可用于近距离的初始化配置和简单的状态信息传输，Thread 则用于构建 Mesh 网络，实现节点间的可靠通信和数据传输。 （4）防护外壳：采用航空铝 CNC 外壳进行防护，航空铝具有良好的强度、重量轻和抗腐蚀等特点，CNC 加工工艺能够确保外壳设计符合设备内部结构要求，为内部硬件模块提供稳定的物理保护，同时具备一定的电磁屏蔽作用，保证设备正常工作。 （5）电源模块：设计专门的电源电路，为各个模块提供稳定的电源供应。考虑到整个系统的功耗需求和供电环境，电源模块需要具备一定的电压转换能力和抗干扰特性，确保各模块在合适的电压和电流下稳定运行。

四、设计思路

本项目整体设计思路是为机场跑道异物检测提供一套集成化、高性能、低功耗且稳定的解决方案。首先，毫米波雷达模块作为核心探测单元，持续对跑道进行扫描，利用其先进的传感器技术和信号处理算法，实时获取跑道上物体的信息，如距离、速度、角度等，并能够以较高的精度（≥5mm）发现金属异物。

主控模块作为整个系统的控制核心，负责协调各个模块的工作。当雷达模块探测到异物后，触发边缘计算功能。边缘计算利用移植在 QSPI Flash 上的轻量化 TensorFlow Lite 模型，对雷达获取的数据进行分析和目标类型识别，确定异物的具体类别，为后续处理提供更精确的信息。

在数据传输方面，NRF52840 通信模块构建起自组网 Mesh 网络。各 FOD 节点之间通过 Thread 协议自动发现、连接并形成稳定的网络，将识别后的异物信息高效、准确地传输至控制塔。同时，BLE 能够实现近场的简单操作和状态反馈，方便部署和维护。

航空铝 CNC 外壳则为所有内部硬件模块提供物理保护和电磁屏蔽，确保系统在复杂的机场环境中可靠运行。在整个设计过程中，充分考虑了系统的功耗、散热、抗干扰性等因素，以保证系统的长期稳定性和可靠性。

五、系统功能总结

六、技术方案

在整个 FOD 节点设计中，采用了多种关键技术方案。在雷达信号处理方面，为了实现高精度探测，需要对毫米波雷达模块 IWR1642 采集到的信号进行快速而准确的计算。通过采用 FFT（快速傅里叶变换）加速计算技术，能够显著提高信号处理的速度和效率，确保在短时间内完成对大量雷达回波数据的分析，从而实现以≥5mm 的精度探测出跑道上的金属异物。

对于目标识别，采用轻量化的深度学习方法是关键。将预先训练好的 CNN 模型移植到主控模块 STM32F103RCT6 上的 QSPI Flash 中，通过边缘计算实现对雷达数据的实时分析。这种方案减少了数据传输量和云端计算的压力，同时能够在本地快速得到识别结果，提高了系统的响应速度和可靠性。

在通信组网方面，选择 NRF52840 通信模块，利用其支持的双模 BLE+Thread 协议构建 Mesh 网络。线程网络具有自组织、自愈性强、低延迟、高带宽等优点，能够确保 FOD 节点之间稳定、高效的数据传输，实时将探测和识别结果发送至控制塔，为机场跑道管理部门提供准确的异物信息。

此外，为了确保整个系统在复杂的机场电磁环境下稳定运行，在硬件设计上采用航空铝 CNC 外壳，并采用了多重滤波、屏蔽等技术手段，减少外界干扰对系统的影响。同时，在软件层面也进行了抗干扰设计，如数据校验、错误处理等机制，进一步提高系统的可靠性。

七、使用的模块的技术详情介绍

（1）主控模块 STM32F103RCT6 ◦ 核心处理器：基于 Cortex-M3 内核，主频高达 72MHz，能够快速执行各种复杂的控制和处理任务。 ◦ 存储资源：内部集成了 128KB 的 Flash 存储器和 20KB 的 SRAM，对于一般的应用程序已经足够。但对于本项目中需要存储的轻量化 TensorFlow Lite 模型，为了不占用过多宝贵的内部资源，选择外挂 QSPI Flash，可提供更大的存储空间。 ◦ 丰富的外设：配备了定时器、ADC（模数转换器）、SPI（串行外设接口）、I2C（集成电路总线）等众多外设，方便与雷达模块、通信模块等进行连接和数据交互。 （2）雷达模块 IWR1642 ◦ 雷达工作频段：工作在 60GHz 频段，该频段的毫米波对小型金属物体具有良好的反射特性，能够更准确地探测跑道上的微小异物。 ◦ 探测精度：具备高精度的探测能力，能够达到≥5mm 的探测精度，确保能够及时发现跑道上的潜在危险物品。 ◦ 先进的信号处理算法：内部集成了丰富的信号处理算法，可以实时对雷达回波信号进行分析和处理，减少外界干扰对探测结果的影响，提高异物检测的准确性。 （3）通信模块 NRF52840 ◦ 双模协议支持：同时支持低功耗蓝牙（BLE）和 Thread协议。BLE 技术成熟，通用性强，能够方便地与各种设备进行近距离通信，例如用于设备的初始化配置和简单的状态信息获取。Thread 协议则专为低功耗、自组网的应用场景设计，在本项目中用于构建 Mesh 网络，实现多个节点之间的高效通信和数据传输。 ◦ 高性能处理器：内部芯片集成了高性能的 ARM Cortex-M4F 处理器，能够处理复杂的通信任务和数据处理需求，确保数据在网络中的稳定传输。 ◦ 低功耗特性：采用先进的电源管理技术，具有极低的功耗，延长了设备的续航时间，非常适合机场这种长期部署的场景。

八、预期成果

（1）成功开发一套机场跑道异物检测（FOD）节点设备，经过实验室测试和实地模拟测试，验证其毫米波雷达探测精度能够达到≥5mm，能够准确识别多种常见的跑道异物类型。 （2）构建起稳定可靠的无线自组网 Mesh 通信系统，节点之间的通信成功率达到 99%以上，数据传输损耗率低于 1%，确保异物信息能够实时、准确地传输至控制塔。 （3）通过实际应用测试，证明该 FOD 节点系统能够有效提高机场跑道异物检测的效率和准确性，减少人工巡检的压力，降低因跑道异物导致的飞行安全事故风险。 （4）形成完整的技术文档和设计规范，为后续产品的量产和推广提供技术支持和参考。

九、总结

本设计文档详细阐述了机场跑道异物检测（FOD）节点从项目开发背景到设计实现的全过程。通过对毫米波雷达探测、边缘计算识别和无线自组网传输等关键技术的整合应用，构建了一个高效、可靠的机场跑道异物检测系统。

在硬件模块选型上，充分考虑了系统性能、功耗和稳定性等因素，选择了 STM32F103RCT6、IWR1642 和 NRF52840 等合适的芯片作为各个功能模块的核心。在技术方案设计中，针对系统中的关键技术点，采用了一系列先进的技术手段，如 FFT 加速计算、轻量化 CNN 模型移植、Mesh 自组网等，确保了系统能够实现高精度探测和数据的高效传输。

预期成果表明，该 FOD 节点系统有望为机场跑道安全管理提供一种全新的解决方案，有效提升机场跑道异物检测能力，保障航空运输的安全。然而，在项目的后续开发过程中，还需要进一步完善测试工作，解决可能出现的兼容性问题和稳定性问题，确保产品能够满足实际机场环境中的应用需求。同时，也需要关注行业技术的发展动态，不断对系统进行优化和升级，以提高产品的市场竞争力和国际先进性水平 。

以下是一个基于STM32F103RCT6的main.c代码示例，用于机场跑道异物检测（FOD）节点项目。假设其他子模块（如雷达模块、通信模块等）已经有了相应的驱动函数和接口，此代码主要负责协调各模块工作，实现系统的主要功能。

#include "stm32f10x.h"
#include "radar_module.h"  // 假设雷达模块驱动头文件
#include "communication_module.h"  // 假设通信模块驱动头文件
#include "edge_computation.h"  // 假设边缘计算模块驱动头文件
​
// 函数声明
void SystemInit_Config(void);
void FOD_Node_Main_Loop(void);
​
int main(void)
{
    // 系统初始化配置
    SystemInit_Config();
​
    // 系统主循环
    FOD_Node_Main_Loop();
​
    while (1)
    {
        // 主循环保持运行
    }
}
​
// 系统初始化配置函数
void SystemInit_Config(void)
{
    // 使能相关外设时钟，这里假设需要使能GPIO、SPI等时钟，具体根据实际硬件连接和使用的模块调整
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
​
    // 初始化雷达模块
    Radar_Module_Init();
​
    // 初始化通信模块
    Communication_Module_Init();
​
    // 其他必要的初始化操作，如中断初始化等
}
​
// FOD节点主循环函数
void FOD_Node_Main_Loop(void)
{
    while (1)
    {
        // 雷达模块数据采集
        Radar_Data_Type radar_data;
        Radar_Module_Get_Data(&radar_data);
​
        // 边缘计算目标识别
        Target_Info target_info;
        Edge_Computation_Recognize(&radar_data, &target_info);
​
        // 通信模块数据传输
        Communication_Module_Send_Data(&target_info);
​
        // 可以添加适当的延时，避免过于频繁的数据处理和传输
        for (volatile int i = 0; i < 100000; i++);
    }
}

整体代码设计思路

1. 系统初始化阶段

• 时钟配置：在SystemInit_Config函数中，首先使能系统所需外设的时钟。这是因为STM32的很多外设在没有使能相应时钟的情况下无法正常工作。这里假设需要使用GPIO、SPI等外设，所以使能了对应的时钟，实际应用中需要根据硬件连接和具体使用的模块进行调整。 • 模块初始化：分别调用雷达模块、通信模块等的初始化函数，对各个子模块进行初始化操作。例如，雷达模块的初始化可能包括配置SPI接口、设置雷达工作模式等；通信模块的初始化可能涉及配置通信协议栈、设置通信参数等。此外，还可以进行其他必要的初始化操作，如中断初始化等，以确保系统各部分能够正常协同工作。

2. 系统主循环阶段

• 数据采集：在FOD_Node_Main_Loop函数的主循环中，首先调用雷达模块的数据采集函数Radar_Module_Get_Data，从雷达模块获取探测到的数据，并将其存储在radar_data结构体变量中。这个结构体应该根据雷达模块返回的数据格式进行定义，包含了诸如距离、速度、角度等信息。 • 边缘计算目标识别：将采集到的雷达数据传递给边缘计算模块的识别函数Edge_Computation_Recognize。该函数利用预先训练好的CNN模型（在硬件上以轻量化TensorFlow Lite模型形式存储在QSPI Flash中）对雷达数据进行分析和处理，识别出目标的类型，并将识别结果存储在target_info结构体变量中。这个结构体应该包含目标的相关信息，如目标类型、置信度等。 • 数据传输：调用通信模块的数据传输函数Communication_Module_Send_Data，将识别结果发送到控制塔。通信模块采用NRF52840，通过自组网Mesh网络将数据传输给其他节点或直接发送至控制塔。在传输过程中，需要确保数据的完整性和可靠性，可能需要进行数据校验、重传等操作。 • 延时处理：为了避免过于频繁地进行数据处理和传输，导致系统资源过度占用，可以在每次循环结束后添加适当的延时。这里使用了一个简单的for循环来实现延时，实际应用中可以根据系统的性能需求和任务调度情况选择更合适的延时方式，如定时器中断等。

通过以上设计思路，整个main.c代码实现了机场跑道异物检测节点的核心功能，协调了雷达模块、边缘计算模块和通信模块之间的工作，确保系统能够稳定、高效地运行，实时监测机场跑道上的异物情况并将相关信息及时传输给控制塔。