淺談四旋翼無(wú)人機(jī)的工作原理與意義

淺談四旋翼無(wú)人機(jī)的工作原理與意義

Summary：本文所采用的四旋翼巡航機(jī)器人采用德州儀器C2000系列微處理器為主控模塊，外加超聲波模塊實(shí)現(xiàn)高度控制，MPU6500六軸運(yùn)動(dòng)處理器用于感知運(yùn)動(dòng)姿態(tài)配合三軸陀螺儀實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。本文利用該小型四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)部分功能，以此判別大型無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)功能的可行性。整個(gè)過(guò)程采用雙攝像頭，側(cè)邊攝像頭（openMV）掃描無(wú)人機(jī)周邊信息并提供數(shù)據(jù)；底部攝像頭（樹(shù)莓派）采集地面信息。整個(gè)系統(tǒng)基于PID算法處理各傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，以此達(dá)到一鍵啟動(dòng)后，該無(wú)人機(jī)可繞不同顏色桿塔按照不同方向繞塔的目的。Keys：四旋翼無(wú)人機(jī)、PID算法一、系統(tǒng)的工作原理流程圖系統(tǒng)工作流程圖（1）主控板：處理攝像頭在內(nèi)的各傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令控制飛行。（2）外圍電路：包括其他控制、響應(yīng)以及傳輸?shù)碾娐?，綜合完成題目要求。二、四旋翼飛行器原理分析四軸飛行器的4個(gè)角各裝一個(gè)旋翼，由電機(jī)分別帶動(dòng)，葉片可以正傳，也可以反轉(zhuǎn)?；閷?duì)角的一組（兩個(gè)）電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，而相鄰兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反。4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實(shí)現(xiàn)四軸橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運(yùn)動(dòng)。三、串行PID控制器的分析飛行姿態(tài)的串級(jí)PID控制：串級(jí)PID控制是我們飛行控制用到的主要算法。PID算法在自動(dòng)控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，主要要求有：穩(wěn)、準(zhǔn)、快。通過(guò)FIR濾波和姿態(tài)融合解讀出飛行器的飛行姿態(tài)角，并經(jīng)過(guò)串級(jí)PID算法程序來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的PWM波的數(shù)值，并將處理后的結(jié)果傳給電調(diào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制飛行的目的。PID算法框圖四、飛行高度控制飛行高度控制的獲取采取超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)超聲波采集的接發(fā)時(shí)間差，單片機(jī)利用聲音在空中傳播速度和時(shí)間的關(guān)系計(jì)算出飛行器距離地面的高度，并經(jīng)過(guò)PID算法程序不斷控制改變油門(mén)量，從而使飛行器的高度達(dá)到預(yù)期高度。超聲波測(cè)距原理圖五、核心部件電路設(shè)計(jì)飛控模塊TIC2000外接MPU-6500六軸傳感器完成飛行控制算法。MPU-6500傳感器采集三軸加速度計(jì)和三軸陀儀數(shù)據(jù)。MPU-6500功耗低，可以以1.8伏特運(yùn)行，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，其內(nèi)含溫度感測(cè)器，在不同環(huán)境中僅有1的偏差。原始數(shù)據(jù)經(jīng)C2000飛控算法分析處理，完成姿態(tài)控制。視覺(jué)模塊底部采用索尼攝像頭采集視覺(jué)信息，經(jīng)Opencv處理后，返回值給飛控系統(tǒng)。側(cè)方位攝像頭采用Openmv搭配OV7725攝像頭，識(shí)別并采集色塊，采集畫(huà)面后經(jīng)Openmv色塊算法處理，通過(guò)串口返回?cái)?shù)組數(shù)據(jù)供飛控系統(tǒng)調(diào)整飛行姿態(tài)。六、主要模塊程序設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器的分析：在傳感器模塊中，超聲波等傳感器所捕獲和傳回的原始數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響而產(chǎn)生誤差。針對(duì)上述現(xiàn)象本文提出一種在多路徑條件下的Kalman濾波算法，Kalman濾波器是一種線性方差濾波器，它不但考慮了信號(hào)與測(cè)量值的基本統(tǒng)計(jì)特性（一、二階統(tǒng)計(jì)特性），而且，由于采用了狀態(tài)空間的概念，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)，信號(hào)作為狀態(tài)，所以，它既能估計(jì)平穩(wěn)的標(biāo)量信號(hào)隨機(jī)過(guò)程，又能估計(jì)非平穩(wěn)的矢量隨機(jī)過(guò)程。它能夠從一系列的不完全包含噪聲的測(cè)量中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。我們對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波，可以得到期望值的最優(yōu)解。通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。卡爾曼濾波可以去除噪聲并根據(jù)反饋控制和過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行合理估計(jì)，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和處理。七、部分功能實(shí)現(xiàn)思路起點(diǎn)垂直起飛至150cm高度，利用blob+質(zhì)心算法，將底面攝像頭拍攝到的畫(huà)面二值化，框選出所有黑色色塊并標(biāo)記出其質(zhì)心，從而保證無(wú)人機(jī)在起飛過(guò)程中始終保持在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，達(dá)到預(yù)定高度后，側(cè)方攝像頭根據(jù)像素大小尋找就近的桿塔，檢測(cè)相應(yīng)色塊，同時(shí)相應(yīng)顏色的led燈閃爍數(shù)次以表示所檢測(cè)到的桿塔顏色，然后飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)俯仰角，側(cè)方攝像頭傳輸桿塔位置數(shù)據(jù)給飛控系統(tǒng)，飛控通過(guò)調(diào)整翻滾角保證無(wú)人機(jī)始終正對(duì)著桿塔前進(jìn)。當(dāng)?shù)酌鏀z像頭識(shí)別到桿塔底部顏色色塊后，同時(shí)側(cè)方攝像頭檢測(cè)到最大色塊，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，無(wú)人機(jī)開(kāi)始懸停，側(cè)方攝像頭正對(duì)著桿塔，隨后飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)翻滾角，利用底面攝像頭定點(diǎn)使其保持距離桿一定距離繞桿飛行。繞圈一周后，無(wú)人機(jī)再次懸停，同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)身，讓側(cè)方攝像頭離開(kāi)第一個(gè)桿塔位置并與繞行圓周半徑相切，然后無(wú)人機(jī)繼續(xù)繞桿飛行以尋找下一個(gè)桿塔顏色色塊，當(dāng)側(cè)方攝像頭識(shí)別到下一個(gè)顏色的桿塔后，無(wú)人機(jī)懸停，然后重復(fù)上述過(guò)程。全部桿塔環(huán)繞完成后開(kāi)始尋找終點(diǎn)的位置，最后定點(diǎn)降落。此功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔四周墻壁的完整度的檢驗(yàn)等功能。八、參