基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

摘要本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制作一架基于攝像頭循跡四旋翼自主飛行器，其所需循跡的道路是白底的黑色引導(dǎo)線。本系統(tǒng)采用模塊構(gòu)造化設(shè)計(jì)的方法，包括飛行控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、循跡飛行、高度檢測(cè)系統(tǒng)等，以FreescaleKinites60單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理控制中心，將各個(gè)模塊有效配合形成整體。其中飛行控制模塊以STM32F407為控制核心，用來(lái)調(diào)整四旋翼自主飛行器的飛行姿態(tài)；而循跡模塊以FreescaleKinites60為核心控制器，處理攝像頭OV7725采集的圖像信息后，把路徑信息反應(yīng)給飛行控制模塊，使飛行器能夠按照給定的黑色引導(dǎo)線循跡飛行；超聲波模塊獲取飛行器離地高度信息，并將信息傳遞給飛行控制模塊，從而調(diào)整飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。循跡模塊和超聲波模塊與飛行控制模塊通過(guò)串口保持即時(shí)通信，飛行控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)反應(yīng)的信息，控制電調(diào)驅(qū)動(dòng)四個(gè)無(wú)刷電機(jī)完成自主穩(wěn)定飛行。關(guān)鍵詞：四旋翼自主飛行器，單片機(jī)，攝像頭循跡，超聲波，無(wú)刷電機(jī)ABSTRACTThesystemintendedtodesignandmakeafour-rotorautonomousvehicle,andtheintelligentmodeltrackeditswaybycamera.Atthesametime,thetrackingwayhadablacklineonthewhitebackground.Theprojectadoptedthemeasureofmodularstructuraldesign,includingflightcontrollingmodule,drivingmodule,powermodule,flighttrackingandheightdetectionsystemandsoon.ThedesigntookFreescaleKinites60MCUasdataprocessingandcontrollingcentral,andthesingleshipeffectivelyintegratedvariousmodulesintoawhole,ofwhichtheflightmoduleputtheSTM32F407ascontrollingcore,inordertoadjustautonomousvehicle’sflyingattitude.HowevertheflighttrackingmoduletookFreescaleKinites60ascorecontroller,whichdealtwiththeimageinformationcollectedbycamera,thenfeedbackpathinformationtoflightcontrollingmodulesothatthefour-rotorautonomousvehiclecouldflyaccordingtotheblackguidingline.Theultrasonicmodulegottheinformationoftheaircraftaltitudeandtransformedthemessagetoflightcontrollingmoduleastoadjustflyingattitudeandmetthedesignrequirement.Thetrackingmodule,ultrasonicmoduleandflightcontrolmoduleshouldmaintaininstantmunicationthroughtheserialport,thentheflightcontrollingmodulecontrolledESCtodrivefourbrushlessmotorandpletedautonomousstableflightbythereal-timefeedbackinformation.Keywords:four-rotorautonomousvehicle,MCU,cameratracking,ultrasonicmodule,brushlessmotor目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1概論21.1選題背景21.2國(guó)外飛行器的研究現(xiàn)狀21.3四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司21.4本研究的目的和意義21.5小結(jié)22系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案22.1驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇22.2傳感器模塊的選擇22.2電源模塊的論證與選擇22.3飛行控制模塊的論證與選擇22.4攝像頭模塊的論證與選擇22.5高度檢測(cè)系統(tǒng)的論證與選擇22.6小結(jié)23系統(tǒng)理論分析23.1四旋翼飛行器的模型簡(jiǎn)析23.2四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立23.3四旋翼飛行器上總的力和力矩23.4四旋翼飛行器力學(xué)控制原理23.5小結(jié)24硬件電路局部設(shè)計(jì)24.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)24.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊24.3電源模塊24.4小結(jié)25系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件局部設(shè)計(jì)25.1程序設(shè)計(jì)總論25.2軟件開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介25.3程序流程圖25.4各模塊初始化25.5算法設(shè)計(jì)25.6小結(jié)26系統(tǒng)調(diào)試26.1軟硬件調(diào)試26.2通用排故方法26.3小結(jié)27參考文獻(xiàn)2致2附錄21概論1.1選題背景四旋翼飛行器是一種有四個(gè)螺旋槳且由兩對(duì)正反槳呈“+〞形穿插排列的飛行器。四旋翼飛行器通過(guò)輸出占空比的方式調(diào)節(jié)四個(gè)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的力矩和升力的變化，從而控制四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)和位置變換[1]，其具有造價(jià)低且可復(fù)制性強(qiáng)的特點(diǎn)，已成為航模界的新銳力量。由于MEMS傳感器、單片機(jī)、電機(jī)以及電池技術(shù)的開(kāi)展與普及，人們對(duì)于四旋翼飛行器的研究參軍事領(lǐng)域到民用和商用領(lǐng)域都有涉及。近些年來(lái)，由于自動(dòng)控制技術(shù)、微電子控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的開(kāi)展，運(yùn)用先進(jìn)的控制技術(shù)，使用無(wú)刷電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)油動(dòng)力進(jìn)展四旋翼飛行器的研究，各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以平衡旋翼對(duì)機(jī)身的反扭矩，因此不需要專(zhuān)門(mén)的反扭矩槳。又由于四旋翼飛行器能夠在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)多種功能且僅使用一塊電池，使得其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，構(gòu)造合理緊湊，有助于提高電能的使用效率。由此，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)也朝著小型化、多樣化方向開(kāi)展，應(yīng)用圍也在不斷地?cái)U(kuò)大[2]。四旋翼飛行器以其體積小，飛行靈活，在飛行時(shí)又有較強(qiáng)的防窺探能力，在軍事偵查方面的應(yīng)用空間很大；在民用、城市交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)及工業(yè)巡察領(lǐng)域能發(fā)揮很大的作用[3]。例如在災(zāi)害中，通過(guò)攜帶指定的檢測(cè)模塊，四旋翼飛行器可以探測(cè)有害物質(zhì)的濃度、災(zāi)害周?chē)臏貪穸纫约拔ｋU(xiǎn)物的大致圍，能夠?qū)崟r(shí)回傳數(shù)據(jù)，便于指揮人員對(duì)災(zāi)害情況的掌握。隨著新型材料以及制造業(yè)的快速開(kāi)展，四旋翼飛行器也朝著微型化的方向開(kāi)展。目前看來(lái)，四旋翼飛行器依然不少技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，許多技術(shù)問(wèn)題依然沒(méi)有突破性的進(jìn)展[5]。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的根底上，盡可能地解決現(xiàn)在沒(méi)有解決的問(wèn)題，才能使無(wú)人機(jī)的研究與開(kāi)展不斷向前行進(jìn)。四旋翼飛行器所涉及的知識(shí)體系圍寬，而且其研究圍隨著研究的逐步深入仍在擴(kuò)展，而對(duì)其中的*些存在的問(wèn)題開(kāi)展一局部前瞻性研究也正是本畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的之一。1.2國(guó)外飛行器的研究現(xiàn)狀回憶歷史，全球第一架可載人飛行的飛機(jī)，于1903年由美國(guó)的萊特兄弟研制，人們對(duì)于四旋翼飛行器的探索也起源于那個(gè)時(shí)代，由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平低以及理論知識(shí)欠缺的原因，四旋翼飛行器沒(méi)有得到足夠快速的開(kāi)展，直至20世紀(jì)膜，依然沒(méi)有多旋翼類(lèi)飛行器被真正地設(shè)計(jì)[4]。美國(guó)科學(xué)家布魯諾?W?奧根斯坦在1992年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究方案局(DARPA)主持的一次軍事會(huì)議上提出微型飛行器(MicroAirVehicle)的概念，四旋翼飛行器最早設(shè)計(jì)并完成并試飛的是Breguet兄弟，GeorgeDeBothezat,EtienneOemichen以及D.H.Kaplan[5]。由于微機(jī)電系統(tǒng)傳感器、單片機(jī)、電機(jī)以及電池技術(shù)的突破，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與研究得到了前所未有的開(kāi)展。微型飛行器應(yīng)用圍寬廣，可作為低本錢(qián)的遙感平臺(tái)，全世界對(duì)飛行器的研制和投入也到達(dá)了新的高度[6]。1.2.1美國(guó)研制四旋翼飛行器的現(xiàn)狀微型飛行器是由DARPA率先提出和啟動(dòng)研制。1995年11月，DARPA召開(kāi)了微型飛行器可行性專(zhuān)題討論會(huì)；1996年3月,DARPA召開(kāi)了向工業(yè)界通報(bào)情況的介紹會(huì)；1996年10月,DARPA召開(kāi)了用戶(hù)與研制者的討論會(huì)；1997年DARPA正式通過(guò)小型商業(yè)革新研究(SBIR)工程,投資進(jìn)展系統(tǒng)研究或開(kāi)展特種技術(shù)[7]。1998年4月,一種名為微星的微型飛行器方案由美國(guó)桑德斯提出。微星的設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)為:翼展約15cm,質(zhì)量15g，具有自動(dòng)飛行和錄像功能，采用手持式發(fā)射器發(fā)射或直接手拋發(fā)射。第一階段主要進(jìn)展方案論證工作，包括對(duì)飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)、姿態(tài)感知系統(tǒng)、錄像系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等所有輔助設(shè)施進(jìn)展了逐個(gè)測(cè)試。2000年9月制造出一種采用大容量電池、飛行穩(wěn)定、可錄像且運(yùn)動(dòng)靈活的微型飛行器[8]。Auburn大學(xué)和Lutroni*公司成功研制了一種新型的旋翼式飛行器機(jī)體:使用直升機(jī)布局,從外型上看為圓柱形,上部裝有旋翼,下部帶錄像機(jī)。目前設(shè)計(jì)出兩種機(jī)型，即共軸雙旋翼和單旋翼,都沒(méi)有尾漿調(diào)向。技術(shù)參數(shù)為：重300g，旋翼直徑10.16cm，可負(fù)載重量為100g，具有三個(gè)軸向穩(wěn)定調(diào)節(jié)、全球定位系統(tǒng)和120min續(xù)航時(shí)長(zhǎng)[10]?！癊ntomopter〞撲翼式微型飛機(jī)由CaliforniaInstituteofTechnology和AeroVironment公司及UniversityofCalifornia聯(lián)合研制，共花費(fèi)約180萬(wàn)美元。機(jī)身構(gòu)造:采用撲翼布局,著重探索撲翼式飛行器可不可以像蜂鳥(niǎo)一樣垂直上下飛行，使其具有更好的隱身功能。技術(shù)參數(shù):翼展15.24cm，質(zhì)量為10g,采用鎳鎘可充電電池，在沒(méi)有遙控條件下飛行了18s，飛行距離46m，機(jī)翼能以20Hz的頻率扇動(dòng)[11]。海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的超小型干擾機(jī):翼展(15.24～20.32)cm,質(zhì)量(50～100)g,飛行速度(32.18～64.36)km/h,飛行時(shí)間1200s,載重16g,研制目的是在敵人雷達(dá)上投放一個(gè)重約16g的雷達(dá)擾亂器。此飛行器由軍隊(duì)人員帶到距離目標(biāo)幾千米處手動(dòng)發(fā)射[12]。1.2.2印度研制的微型直升飛機(jī)1997年1月26日在新德里舉行的閱兵式上，印度首次展示了航空研究院制造的NISHANT飛行器。技術(shù)參數(shù)：翼長(zhǎng)0.75m，長(zhǎng)度為120cm，質(zhì)量為300kg，負(fù)載45kg，采用德國(guó)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)式螺旋槳，飛行高度為950m左右，續(xù)航時(shí)間300min。NISHANT飛行器系統(tǒng)主要包括飛行器、遙控臺(tái)和發(fā)射架。1.2.3中國(guó)的微型飛行器國(guó)局部高等院校和科研機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展微型飛行器的研究工作，研究成果主要有理工大學(xué)的智能機(jī)器人研究所、國(guó)防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院等在做這方面的相關(guān)研究工作。理工大學(xué)的智能機(jī)器人研究所則從另一方面入手，通過(guò)對(duì)微型旋翼式四旋翼飛行器進(jìn)展構(gòu)造與動(dòng)力特性的分析，自行研制了一種微型旋翼式四旋翼飛行器。并在此原型機(jī)的根底上，基于PID控制算法，進(jìn)展了不少姿態(tài)控制算法方面研究工作，也取得了一定的研究成果[16]。交通大學(xué)在微型無(wú)人機(jī)方面的研究主要表達(dá)在非線性控制、機(jī)器識(shí)別以及相似智能辨識(shí)等方面的研制。其微納米科學(xué)技術(shù)研究院曾制造出以直徑僅有0.2cm的微馬達(dá)作為動(dòng)力的雙旋翼微型直升機(jī)。該研究院的科研人員在現(xiàn)有成功經(jīng)歷的根底上，正在研究能負(fù)載、可離地飛行的四旋翼微型飛行器[18]。1.3四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司國(guó)際上比擬知名的四旋翼飛行器公司有中國(guó)大疆公司、法國(guó)Parrot公司、德國(guó)AscTec公司和美國(guó)3DRobotics公司。市大疆創(chuàng)新科技(DJI-Innovations，簡(jiǎn)稱(chēng)DJI)，成立于2006年，是全球領(lǐng)先的無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商，客戶(hù)遍布全球40多個(gè)國(guó)家。通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新，大疆致力于為無(wú)人機(jī)工業(yè)、行業(yè)用戶(hù)以及專(zhuān)業(yè)航拍應(yīng)用提供性能最強(qiáng)、體驗(yàn)最正確的革命性智能飛行控制產(chǎn)品和解決方案。中國(guó)大疆創(chuàng)新科技在2013年初推出了一款售價(jià)高達(dá)1000美元的Phantom四翼直升機(jī)。該公司去年的銷(xiāo)公司、售額到達(dá)了1.30億美元，并預(yù)計(jì)今年還能再增長(zhǎng)3倍之多。2014年11月26日，由大疆創(chuàng)新研發(fā)的航拍機(jī)新產(chǎn)品Inspire1在亮相，這也是被媒體稱(chēng)為“迄今為止最酷的“無(wú)人機(jī)〞產(chǎn)品，首度在亞洲地區(qū)進(jìn)展公開(kāi)展示。1.4本研究的目的和意義本四旋翼飛行器控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)由攝像頭地面的道路信息進(jìn)展循跡飛行功能。飛行器通過(guò)攝像頭采集的圖像分析出的道路信息指令，按照指定的軌跡飛行，同時(shí)具有感知當(dāng)前飛行姿態(tài)并自動(dòng)調(diào)整的功能，此外具有遙控起飛和降落的功能。全部控制系統(tǒng)囊括電源模塊、攝像頭模塊、無(wú)線通信模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制器模塊。無(wú)線通信模塊接收遙控器傳來(lái)的控制信號(hào)，而后將控制信息傳遞給控制器模塊。傳感器模塊采用三軸加速度傳感器陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器飛行的當(dāng)前飛行姿態(tài)，并將飛行器的當(dāng)前飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給控制器模塊。攝像頭模塊采集的圖像，通過(guò)單片機(jī)處理分析出的軌跡信息指令，按照指定的軌跡飛行，控制器模塊接收到攝像頭模塊、傳感器模塊和無(wú)線通訊模塊傳來(lái)的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)后完成一系列復(fù)雜的算法，得到當(dāng)前四旋翼飛行器的位置和姿態(tài)信息，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是基于STM32系列單片機(jī)和FreescaleKinites60單片機(jī)設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)四旋翼飛行器樣機(jī)，其中STM32系列單片機(jī)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的傳感器數(shù)據(jù)處理〔包括加速度、陀螺儀、氣壓計(jì)、超聲波等傳感器〕，姿態(tài)解算，超聲波定高，主要是實(shí)現(xiàn)控制模塊的功能；FreescaleKinites60單片機(jī)處理攝像頭數(shù)據(jù)，分析出路徑信息，并把路徑信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信息，并把相應(yīng)的控制信息傳輸給控制模塊，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的自主循跡功能，同時(shí)可以接收無(wú)線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遙控起飛和降落的功能，主要實(shí)現(xiàn)的是圖像采集處理分析的功能。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛行控制器硬件，并調(diào)試完成四旋翼飛行器，該樣機(jī)通過(guò)攝像頭能夠循跡并在離地面一定的高度穩(wěn)定飛行，為后期的研究奠定根底。本文主要從如下幾個(gè)方面入手對(duì)四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)展詳細(xì)研究：(1)四旋翼飛行器原型樣機(jī)構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)，飛行控制器硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；(2)攝像頭采集信號(hào)的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成；(3)攝像頭采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為四旋翼飛行器的控制信號(hào)；(4)四旋翼飛行器飛行模型的建立；(5)四旋翼飛行器運(yùn)行狀態(tài)的采集和反應(yīng)；(6)四旋翼飛行器PID參數(shù)調(diào)整；(7)遙控器控制信號(hào)的發(fā)送和接收。工作重點(diǎn)在于基于多傳感器融合的動(dòng)力學(xué)建模、姿態(tài)控制算法、控制系統(tǒng)軟硬件、攝像頭采集信號(hào)的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及調(diào)試等。1.5小結(jié)本章首先介紹課題的選題背景，之后介紹了國(guó)外四旋翼飛行器的開(kāi)展歷史以及研究現(xiàn)狀，隨后介紹了飛行器的主要生產(chǎn)公司，最后指出了本文的研究目的、方法及研究的重點(diǎn)容。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)主要采用ST公司生產(chǎn)的STM32F407作為系統(tǒng)的主處理器。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)信息并實(shí)時(shí)解算，根據(jù)攝像頭采集到的圖像信息，通過(guò)二值化算法，得到具體的線路信息，通過(guò)FreescaleKinites60單片機(jī)計(jì)算輸出控制量；并把控制量傳遞給STM32F407，控制飛行器的飛行方向及姿態(tài)；通過(guò)無(wú)線通信模塊與遙控器進(jìn)展數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)飛行器的起飛、降落及飛行姿態(tài)和位置的調(diào)整。本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、攝像頭模塊、姿態(tài)測(cè)量模塊等五局部組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。飛行控制系統(tǒng)方框圖如圖2-1所示：圖2-1飛行控制系統(tǒng)方框圖2.1驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇四旋翼飛行器電機(jī)選型方案一：采用普通直流電機(jī)。普通直流電機(jī)有操作簡(jiǎn)單、本錢(qián)低、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出扭矩較小，可控性能差，四旋翼飛行器要求控制精度高，響應(yīng)速度快，且重量要輕，所以普通直流電機(jī)無(wú)法滿足要求。方案二：采用新西達(dá)公司生產(chǎn)的A2212/13T1000KV無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。它在低KV值(1000-2000kv)，高電壓〔11.1V〕環(huán)境下有較高的轉(zhuǎn)速和較大扭力，且具有調(diào)速?lài)鷮挕⑿矢吆头€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等優(yōu)點(diǎn)。它克制了普通直流電機(jī)的扭矩小的缺點(diǎn)，滿足系統(tǒng)精度控制要求及負(fù)載要求。綜合以上比擬論證，為保證四旋翼飛行器穩(wěn)定可靠的飛行，本系統(tǒng)采用方案二。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是跟流過(guò)電機(jī)的電流有關(guān)，即跟加在兩端的電壓有關(guān)。但是單片機(jī)并不能輸出可調(diào)的直流電壓，而是用脈寬調(diào)制〔PWM〕方式來(lái)控制電機(jī)的輸入電壓。通過(guò)控制PWM調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果，PWM占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。脈沖寬度調(diào)制PWM調(diào)速脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是英文“PulseWidthModulation〞的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)展控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域[19]。脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是一種利用微處理器的數(shù)字輸出對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)展數(shù)字控制的方法。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，利用高分辨率計(jì)數(shù)器改變方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的具體電平編碼。但PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的所有時(shí)刻，全幅值的直流供電不是完全導(dǎo)通，就是完全截止，不存在第三種狀態(tài)。電壓或電流源是以一種導(dǎo)通或截止的重復(fù)的不同占空比的脈沖序列加到模擬的負(fù)載上。導(dǎo)通時(shí)直流供電完全被加到模擬負(fù)載上，截止時(shí)是供電完全被斷開(kāi)的時(shí)候。只要數(shù)值帶寬足夠?qū)?，所有的模擬電流都可以使用PWM模擬。PWM調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)如下：1)由于PWM的開(kāi)關(guān)頻率很高，只要通過(guò)電樞電感濾波就可以得到波動(dòng)比擬小的直流電流，可以調(diào)速的圍大，理論上可到達(dá)1:10000左右；2)響應(yīng)性能的快速行十分好，抵抗動(dòng)態(tài)干擾能力強(qiáng)；3)由于器件僅工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的開(kāi)展方向，本設(shè)計(jì)采用了PWM變換器進(jìn)展調(diào)速。2.2傳感器模塊的選擇四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行是本設(shè)計(jì)重點(diǎn)容之一，而要進(jìn)展飛行器的穩(wěn)定飛行就得獲得飛行器穩(wěn)定的姿態(tài)。傳感器用來(lái)感知自身的姿態(tài)位置信息及外界環(huán)境的變化，為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)。因?yàn)樗男盹w行器所使用的電池容量較小，以及四旋翼飛行器的升力和負(fù)載能力有限，所以，減輕導(dǎo)航姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)所用傳感器的質(zhì)量、體積，就顯得十分重要。加速度檢測(cè)傳感器是可以檢測(cè)加速力變化的電子器件。加速度檢測(cè)傳感器的工作原理：檢測(cè)元件將測(cè)點(diǎn)的加速度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)展AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后將數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)字濾波處理。加速度檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)機(jī)身相對(duì)于水平面的側(cè)傾角度。在四旋翼飛行器起飛的瞬間，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速本身的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速誤差，加速度檢測(cè)傳感器無(wú)法感知飛行器本身的受力情況。根據(jù)牛頓第二定律，要想通過(guò)加速度檢測(cè)傳感器獲得準(zhǔn)確的四旋翼飛行器側(cè)傾角度和飛行姿態(tài)，加速度檢測(cè)傳感器就需要在靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)的情況下進(jìn)展測(cè)量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運(yùn)動(dòng)的，所以無(wú)法使用加速度檢測(cè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)控制四旋翼飛行器。陀螺儀檢測(cè)傳感器能感知物體的運(yùn)動(dòng)變化。四旋翼飛行器的飛行控制器通過(guò)讀取陀螺儀檢測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，并依據(jù)四旋翼飛行器當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)展反應(yīng)控制，即可以使得四旋翼飛行器保持穩(wěn)定的飛行。因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中陀螺儀檢測(cè)傳感器受到溫度變化的影響，導(dǎo)致測(cè)得的姿態(tài)信息并不十分準(zhǔn)確，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)行再次的濾波就顯得尤為重要。因此利用加速度檢測(cè)傳感器和陀螺儀檢測(cè)傳感器的組合可以檢測(cè)和輸出四旋翼飛行器的方位、速度和引力來(lái)感知飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。綜合考慮性能、體積、重量和本錢(qián)等因素，本設(shè)計(jì)選擇MPU-6050陀螺儀加速度計(jì)，其具體的電路連接圖如圖2-2所示。圖2-2MPU-6050傳感器電路連接圖MPU-6050是世界第一例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸微機(jī)電陀螺儀，3軸微機(jī)電加速度計(jì)，以及可擴(kuò)展的數(shù)字處理器DMP〔DigitalMotionProcessor〕，可用I2C接口連接磁力計(jì)。擴(kuò)展之后就可以通過(guò)其I2C接口輸出一個(gè)9軸變化的數(shù)字信號(hào)。MPU-6050也可以通過(guò)其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比方氣壓傳感器[20]。MPU-6050與其他處理器之間的通信采用400kHz的I2C接口。對(duì)于需要高速傳輸?shù)南到y(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和中斷可用20MHz的SPI。此外，MPU-6050片上還部還有了一個(gè)溫度傳感器用于矯正溫度變化對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響。2.2電源模塊的論證與選擇系統(tǒng)采用2200mA動(dòng)力鋰電池作為供電電源，電壓為12V左右，可直接供應(yīng)電調(diào)使用，其中電機(jī)由電調(diào)直接驅(qū)動(dòng)，而攝像頭工作電壓和FreescaleKinites60單片機(jī)為3.3V，超聲波模塊的工作電壓5V，需要通過(guò)穩(wěn)壓芯片進(jìn)展一次電壓轉(zhuǎn)換為其供電。方案一：通過(guò)電調(diào)產(chǎn)生5V電壓供應(yīng)超聲波模塊使用，由于攝像頭的工作電流不是很大，直接采用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供攝像頭和FreescaleKinites60單片機(jī)使用，這個(gè)方案電路十分簡(jiǎn)單，使用元件少，且工作十分穩(wěn)定。方案二：采用LM7805三端穩(wěn)壓器將電源電壓降到5V供超聲波模塊使用，再通過(guò)AMS1117穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓供應(yīng)攝像頭FreescaleKinites60單片機(jī)。電路部有過(guò)熱、過(guò)電流及調(diào)整管的保護(hù)電路，但在實(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)壓管溫度上升過(guò)高時(shí)，其工作的穩(wěn)壓性能將變差，甚至燒毀。綜合考慮以上的兩種不同的電源模塊方案，選擇方案一更為合理。2.3飛行控制模塊的論證與選擇方案一：領(lǐng)航者飛控模塊。匿名科創(chuàng)ANOTC的領(lǐng)航者飛控模塊能提供完全開(kāi)源的飛控工程源代碼，飛行效果好，方便調(diào)試及后期增加功能。方案二：QQ飛行控制模塊。其有優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，有自穩(wěn)功能，缺點(diǎn)是不能定高，不能姿態(tài)控制，沒(méi)有開(kāi)源的飛控工程源碼，對(duì)后續(xù)調(diào)試，增加功能影響很大，不利于本畢業(yè)設(shè)計(jì)的制作。綜合考慮以上的兩種不同方案，選擇方案一更為合理。2.4攝像頭模塊的論證與選擇攝像頭是基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器系統(tǒng)信息提取關(guān)鍵，其輸出信息的好壞將決定著四旋翼飛行器轉(zhuǎn)向性能。因此攝像頭的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和軌跡識(shí)別的要求，又要考慮到單片機(jī)采集和處理的能力?；跀z像頭尋跡的四旋翼飛行器中既可以使用CMOS型攝像頭，也可以使用CCD型攝像頭。CCD模擬攝像頭和CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，其優(yōu)缺點(diǎn)如表2-1、表2-2所示：表2-1CCD模擬攝像頭的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1)靈敏度高，適于高速運(yùn)行；2)噪點(diǎn)低。1)本錢(qián)高；2)功耗高，需12V供電表2-2CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)攝像頭缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1)體積小，重量輕，功耗低本錢(qián)高；2)部集成A/D，電路要求簡(jiǎn)功耗高，需12V供電。單，方便系統(tǒng)小型化；3)平均本錢(qián)低,便于推廣。1)靈敏度低，不適于高速運(yùn)行；2)噪點(diǎn)高。通過(guò)比擬，發(fā)現(xiàn)CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭相比于CCD模擬攝像頭，有著供電電路簡(jiǎn)單，體積小巧、質(zhì)量輕、功耗低等諸多方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭提供了PCLK信號(hào)，這樣我們便可以利用FreescaleKinites60單片機(jī)自帶的DMA模塊進(jìn)展DMA采集。使用DMA可以節(jié)省單片機(jī)硬件資源，讓單片機(jī)可以在同一時(shí)間里做更多不同的事情，這樣便提高了單片機(jī)的工作效率。而CCD模擬攝像頭未能提供PCLK信號(hào)，同時(shí)為了得到數(shù)字灰度值，我們需要對(duì)CCD輸出的模擬信號(hào)進(jìn)展AD轉(zhuǎn)換，增加了電路的復(fù)雜度。綜合以上考慮，最終決定采用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的圖像傳感器。選用型號(hào)是OV7725數(shù)字CMOS攝像頭。OV7725是一個(gè)集成模塊，是1/3CMOS彩色/黑白圖像傳感器，VGA和QVGA是兩種不同的圖像格式；最高輸出像素為664*492，幀速率為50fps；數(shù)據(jù)處理格式包括YCrCb，YUV，RGB三種。OV7725是數(shù)字式攝像頭，只需要5V單電源供電，功攝像頭耗較小，性能穩(wěn)定，功耗較小。能夠滿足基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器對(duì)路徑檢測(cè)的要求。OV7725是按指定的分辨率，以換行掃描的方法采集信息，當(dāng)掃描到*點(diǎn)時(shí)，再通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度相對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)8位的輸出口輸出。配合OV7725的工作時(shí)序，通過(guò)單片機(jī)適時(shí)的對(duì)這8位端口進(jìn)展采集，便可得到期望的圖像點(diǎn)的灰度值。OV7725的SCCB控制時(shí)序圖如圖2-3所示。圖2-3OV7725的控制時(shí)序圖在使用OV7725時(shí)，通過(guò)SCCB協(xié)議，利用SCL、SDA端口，對(duì)該攝像頭存放器進(jìn)展了配置，需要對(duì)該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。一、將攝像頭的分辨率配置成180*240，這樣可以使單片機(jī)在采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，能盡可能少的響應(yīng)沒(méi)有必要的行場(chǎng)中斷，增強(qiáng)了單片機(jī)的處理效率。二、將攝像頭的比照度設(shè)置成了最高，高比照度可以使軌跡信息的與白色的地面更清晰的區(qū)別開(kāi)來(lái)，方便后續(xù)圖像處理。三、根據(jù)實(shí)際的圖像顯示效果，適時(shí)適宜的更改圖像的亮度，是顯示效果更加滿意。此外，還需要對(duì)攝像頭的其他存放器〔如：與曝光時(shí)間、白平衡有關(guān)的存放器等〕也做適當(dāng)更改，使得顯示的效果更加直觀、清晰。為基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確的軌跡信息。2.5高度檢測(cè)系統(tǒng)的論證與選擇方案一：超聲波測(cè)距。超聲波發(fā)射器向正前方發(fā)射超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)場(chǎng)，超聲波在空氣中傳播，途中假設(shè)碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器接收到反射信號(hào)立即停頓計(jì)時(shí)，通過(guò)聲音在空氣中傳播的速度可以計(jì)算出障礙物與超聲波模塊間的距離。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，可靠性高，不受外界光線干擾。方案二：紅外傳感器測(cè)距。紅外反射式傳感器測(cè)距是紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線然后通過(guò)紅外線接收管測(cè)量回波時(shí)間，光速*時(shí)間＝距離。其優(yōu)點(diǎn)是利于裝配，使用方便，受可見(jiàn)光干擾小。缺點(diǎn)是容易受到中的紅外線干擾，檢測(cè)距離短，檢測(cè)距離不符合設(shè)計(jì)要求。綜合比擬以上兩種方案，選取方案一更為適宜。2.6小結(jié)本章首先講述了本畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案，后面依次論證選擇了驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊、飛行控制模塊、攝像頭模塊和高度檢測(cè)模塊，通過(guò)本章的論證，確定了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件選擇，為接下來(lái)的工作做好準(zhǔn)備。3系統(tǒng)理論分析3.1四旋翼飛行器的模型簡(jiǎn)析四旋翼飛行器與其他類(lèi)別的飛行器相比擬，具有如下特點(diǎn)：共同點(diǎn)：都屬于旋翼式飛行器，因此四旋翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)分析可以參考其他多旋翼式飛行器飛行動(dòng)力學(xué)根本原理。不同點(diǎn)：1)四旋翼飛行器只受旋翼和機(jī)身所產(chǎn)生的力和力矩，但直升機(jī)飛行器除此之外還承受尾槳、平尾所產(chǎn)生的其他力和力矩。2)四旋翼飛行器擁有多個(gè)旋翼，由控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)的飛行姿態(tài)，產(chǎn)生PWM通過(guò)改變占空比的方式來(lái)控制和協(xié)調(diào)各旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，來(lái)改變各個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的升力和扭矩，到達(dá)控制四旋翼飛行器的姿態(tài)、位置和飛行方向，而不像其他直升機(jī)需要改變槳葉的槳矩角來(lái)控制其飛行的姿態(tài)及方向。3)因?yàn)椴淮嬖谧兙刈饔茫运男淼臉~揮舞角不會(huì)隨著方位角的變化而變化，其運(yùn)動(dòng)可以用數(shù)學(xué)公式描述為：，—四旋翼飛行器懸停時(shí)第i個(gè)旋翼的揮舞角；i—旋翼編號(hào)，i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。結(jié)合以上特點(diǎn)，并對(duì)四旋翼飛行器作如下假設(shè)：假設(shè)槳葉和機(jī)身都是剛性的，忽略槳葉和機(jī)身彈性變形造成的影響，且槳葉弦長(zhǎng)b為常數(shù)，不會(huì)隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而改變；四旋翼槳葉切面的升力系數(shù)沿著槳葉旋轉(zhuǎn)半徑方向的變化符合如下公式規(guī)律：〔3-1〕—升力系數(shù)；—特性切面的升力系數(shù)。假定四旋翼翼型阻力系數(shù)和和誘導(dǎo)速度v沿槳葉半徑不變；旋翼軸均垂直于機(jī)體平面；3.2四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立對(duì)飛行器進(jìn)展分析經(jīng)常用坐標(biāo)系有速度坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系、地面坐標(biāo)系以及旋翼坐標(biāo)系，不同坐標(biāo)系與坐標(biāo)系之間可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式進(jìn)展變換。3.2.1機(jī)體坐標(biāo)系的建立圖3-1機(jī)體坐標(biāo)系的建立機(jī)體坐標(biāo)系的建立如圖3-1所示，其原點(diǎn)RO位于水平面一點(diǎn)，*n軸位于水平面，其方向指向正向，其Yn軸位于水平面與*n軸垂直且其方向指向正北方向，Zn軸和*n軸與Yn軸構(gòu)成的平面垂直，方向指向正上方，符合右手法則[21]。3.2.2旋翼構(gòu)造軸系的建立圖3-2四旋翼構(gòu)造軸系的建立旋翼構(gòu)造軸系是以槳翼中心O為原點(diǎn)建立的直角坐標(biāo)系，豎軸OY沿旋翼的構(gòu)造旋轉(zhuǎn)軸，以指向上方為正；縱軸O*沿構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面與機(jī)身縱向?qū)ΨQ(chēng)面的交線方向，指向機(jī)頭方向?yàn)檎粰M軸OZ與OY、O*兩軸垂直，順旋翼旋轉(zhuǎn)方向以指向=90方位為正。因?yàn)樗男盹w行器具有四個(gè)旋翼，所以一共有四個(gè)旋翼構(gòu)造軸系。以右〔right〕旋翼為例，創(chuàng)立旋翼構(gòu)造軸系如圖3-2所示。3.3四旋翼飛行器上總的力和力矩因?yàn)樵谒男砀餍黹g相互干擾方面缺乏資料參照，還需做更深層次的研究，所以暫時(shí)只能單獨(dú)考慮多旋翼與機(jī)身間的作用，計(jì)算出四旋翼飛行器受到的力矩和總力：〔3-2〕〔3-3〕〔3-4〕〔3-5〕〔3-6〕〔3-7〕式中F*G、FyG、FzG為重力在四旋翼飛行器機(jī)體軸上的分量，其中：〔3-8〕〔3-9〕〔3-10〕機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)在四旋翼飛行器的重心，因此：。3.4四旋翼飛行器力學(xué)控制原理圖3-3四旋翼受力模型四旋翼飛行器是通過(guò)四個(gè)旋翼產(chǎn)生的總力和力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行及整個(gè)飛行姿態(tài)控制的，整個(gè)四旋翼飛行器可以假設(shè)成如圖3-3模型所示。圖3-3中、、、分別代表前后左右四個(gè)旋翼的升力；、、、分別代表前后左右四個(gè)旋翼的力矩。當(dāng)控制飛行器四個(gè)旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩變化時(shí)，飛行器將產(chǎn)生不同種類(lèi)飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種航行任務(wù)。3.4.1垂直升降與懸停圖3-4垂直升降與懸停示意圖在圖3-4中，因?yàn)閮蓪?duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，防止其在原地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速的增加使得旋翼轉(zhuǎn)速增加，隨之四旋翼飛行器總的升力增大，當(dāng)總上升力大于四旋翼飛行器的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，四旋翼飛行器則垂直降落，直至平衡的落地，完成了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沒(méi)有外界干擾時(shí)，在四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力與飛行器重量相等的情況下，飛行器便可以保持懸停狀態(tài)。確保四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同時(shí)增加或減小一樣的升力是四旋翼飛行器垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。3.4.2四旋翼的俯仰運(yùn)動(dòng)圖3-5四旋翼的俯仰運(yùn)動(dòng)意圖在圖3-5中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)3轉(zhuǎn)速減小，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定不變。為了不因?yàn)樗男磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速改變量的大小必須相等。由于旋翼1的升力增加，旋翼3的升力降低，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)一定的角度〔方向如下圖〕，同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速減小，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速增加，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。3.4.3四旋翼的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)一樣。都是為了實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的翻轉(zhuǎn)。只不過(guò)俯仰運(yùn)動(dòng)改變的是電機(jī)1、3的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)2、4的轉(zhuǎn)速不變，使得四旋翼飛行器繞y軸進(jìn)展旋轉(zhuǎn)。而滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則是改變電機(jī)2、4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速保持不變，使四旋翼飛行器繞*軸進(jìn)展旋轉(zhuǎn)。原理如圖3-6示。圖3-6四旋翼的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)意圖3.4.4四旋翼的偏航運(yùn)動(dòng)圖3-7四旋翼的偏航運(yùn)動(dòng)意圖四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因?yàn)榭諝庾枇ψ饔脮?huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克制反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向一樣。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速一樣時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全一樣時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖3-7中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在多余的反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。原理如圖3-7示。3.4.5四旋翼的前后運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)圖3-8四旋翼的前后運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)意圖要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。在圖3-8中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖3-5和圖3-6中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿*、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。同理，根據(jù)四旋翼飛行器前后運(yùn)動(dòng)的工作原理，將飛行器*、y軸上的電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)展互換便可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器側(cè)向運(yùn)動(dòng)，原理圖如圖3-8所示。3.5小結(jié)本章首先簡(jiǎn)單的介紹了四旋翼飛行器的模型，后面簡(jiǎn)述了四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立，接著分析了四旋翼飛行器所收到的力和力矩，最后講述的四旋翼飛行器的力學(xué)控制原理，為后續(xù)四旋翼飛行器的控制打下了理論根底。4硬件電路局部設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括FreescaleKinites60處理器的最小系統(tǒng)板和STM32為核心的飛控，其中FreescaleKinites60處理器處理攝像頭圖像信息，分析出地面的路徑信息，完成飛行的導(dǎo)航控制算法，它需要外接OV7725攝像頭模塊；STM32飛控器完成飛行控制算法，需要外接超聲波測(cè)距模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，系統(tǒng)總體工作框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)總體框圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由STM32飛行控制模塊產(chǎn)生PWM波來(lái)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的方式來(lái)控制無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖如圖4-2所示。圖4-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖4.3電源模塊電源子系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)中有飛行控制模塊、電調(diào)、攝像頭模塊、超聲波模塊、無(wú)線通訊模塊需要供電，其框圖如圖4-3所示。圖4-3電源子系統(tǒng)框圖4.3.2LM1117-3.3穩(wěn)壓電路圖AMS1117穩(wěn)壓電路圖，其中輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V,使用LED燈作為電源指示燈，使用10uF的電解電容和0.1uF的瓷電容濾波。電路原理圖如圖4-4所示。圖4-4AMS1117穩(wěn)壓電路圖4.3.3HC-SR04超聲波模塊工作時(shí)序圖HC-SR04超聲波模塊工作時(shí)序圖，如圖4-5所示。圖4-5HC-SR04超聲波模塊工作時(shí)序圖4.4小結(jié)本章首先簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)，接著講述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊的設(shè)計(jì)。5系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件局部設(shè)計(jì)5.1程序設(shè)計(jì)總論系統(tǒng)采用模塊化構(gòu)造設(shè)計(jì)，使用KeilMDK-ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便。根本程序模塊有超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)控制程序、攝像頭采集圖像處理程序、無(wú)線通訊程序等，各個(gè)模塊能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)各局部功能。5.2軟件開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介源程序的編寫(xiě)、編譯和都是在KeilMDK-ARM軟件下進(jìn)展的，并最后生成可執(zhí)行文件。KeilMDK-ARM〔舊稱(chēng)RealViewMDK〕開(kāi)發(fā)工具源自德國(guó)Keil公司，被全球上百萬(wàn)的嵌入式開(kāi)發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具。KEILMDK集成了業(yè)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括uVision3、uVision4、uVision5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境與ARM編譯器。支持ARM7、ARM9、Corte*-M0、Corte*-M0+、Corte*-M3、Corte*-M4、Corte*-R4核核處理器。KeilMDK可以自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫(xiě)模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，ARM編譯器的最新版本可將性能改善超過(guò)20％以上。相比于之前的Version4，新發(fā)布的Version5.0版本的MDK有了非常大的架構(gòu)調(diào)整，增添了許多新的特性。Keil將MDK5分成了MDK核和SoftwarePack兩局部，其核局部仍然是包括編輯器、編譯器、包安裝和調(diào)試跟蹤，而SoftwarePack則又包含Device、CMSIS和MDKprofessionalMidware。這種分層的構(gòu)造使得對(duì)MDK5的更新和維護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)我們開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)效率也提高不少，因?yàn)樗峁┝撕艽筌浖┪覀冋{(diào)用。圖5-1MDK5開(kāi)發(fā)環(huán)境主界面5.3程序流程圖5.3.1主程序流程圖以下圖5-2為主程序流程圖，程序啟動(dòng)后進(jìn)展各局部模塊的初始化，對(duì)IO引腳經(jīng)行配置，初始化完成后，傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正常后，四旋翼飛行器開(kāi)場(chǎng)起飛，起飛過(guò)程中由STM32控制超聲波模塊檢測(cè)離地面高度，到達(dá)一定高度〔可以人為設(shè)定〕后，停頓上升，飛行器保持相應(yīng)的高度飛行。同時(shí)FreescaleKinites60單片機(jī)控制攝像頭模塊開(kāi)場(chǎng)采集圖像信息，將采集到的圖像經(jīng)過(guò)處理分析，實(shí)時(shí)計(jì)算出飛行器飛行的路徑信息，并把路徑信息傳輸給STM32構(gòu)成的飛行控制模塊，飛行控制模塊控制四旋翼飛行器的姿態(tài)以及飛行方向，以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的循跡飛行。圖5-2主程序流程圖超聲波模塊子程序流程圖如圖5-2為超聲波模塊子程序流程圖，超聲波模塊主要是用定時(shí)器檢測(cè)超聲波模塊發(fā)出的波形，再檢測(cè)收到的波形的時(shí)間，再通過(guò)計(jì)算，算出距離。圖5-2超聲波模塊子程序流程圖攝像頭模塊程序流程圖如圖5-3所示為攝像頭模塊程序流程圖。主要的流程為SCCB協(xié)議初始化、采集圖像信息、圖像信息二值化、計(jì)算路徑信息和把路徑信息傳送給控制模塊。圖5-3攝像頭模塊程序流程圖5.4各模塊初始化各模塊初始化包括軟件初始化和硬件初始化，具體如下：NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_GROUP);//中斷優(yōu)先級(jí)組別設(shè)置SysTick_Configuration();//滴答時(shí)鐘I2c_Soft_Init(); //初始化模擬I2CPWM_IN_Init(); //初始化接收機(jī)采集功能PWM_Out_Init(400); //初始化電調(diào)輸出功能Delay_ms(400); //延時(shí)MPU6050_Init(20); //加速度計(jì)、陀螺儀初始化，配置20Hz低通LED_Init(); //LED功能初始化Para_Init(); //參數(shù)初始化Delay_ms(100); //延時(shí)Ultrasonic_Init(); //超聲波初始化if(SCCB_Init(I2C0_SCL_PB00_SDA_PB01))//攝像頭OV7725初始化{while(1);}DMA_Init(&DMA_InitStruct1);//DMA初始化5.5算法設(shè)計(jì)四旋翼飛行器能否按照指定的路線飛完全程除了穩(wěn)定的硬件設(shè)計(jì)外，還在于控制程序的算法是否準(zhǔn)確而合理。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過(guò)直角彎道時(shí)能否根據(jù)進(jìn)展飛行方向的轉(zhuǎn)變，高度控制在于超聲波模塊檢測(cè)到距地面高度的距離偏差有多大調(diào)整四個(gè)無(wú)刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，速度控制主要是控制四旋翼飛行器飛行的速度，攝像頭圖像信息處理主要是通過(guò)算法將道路信息轉(zhuǎn)換為四旋翼飛行器飛行方向的控制信號(hào)，下面逐一分析。5.5.1PID算法PID算法簡(jiǎn)介：PID算法是自動(dòng)控制領(lǐng)域和和自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的控制方法，其原理如圖5-4所示：QUOTEcontrollerQUOTEcontroller—圖5-4PID算法原理圖誤差QUOTE代表理想輸入和實(shí)際輸入的差值將這個(gè)誤差信號(hào)送給控制器，控制器通過(guò)計(jì)算處理得出誤差信號(hào)的積分值和微分值，將這些值與*些信號(hào)進(jìn)展整合比擬，得到輸出值，用公式表達(dá)如下：QUOTE〔5-1〕上式中，QUOTE為比例系數(shù),QUOTE為積分時(shí)間常數(shù)，QUOTE為微分時(shí)間常數(shù)。QUOTE為控制量；QUOTE為被控量與設(shè)定值QUOTE的偏差。此式是時(shí)域表達(dá)式，而單片機(jī)智能處理數(shù)字信號(hào)，即數(shù)字PID控制。將式〔5-1〕離散化得：QUOTE]〔5-2〕控制器將輸出量QUOTE反應(yīng)到輸入，與輸入再一次進(jìn)展比擬，得到新的輸入，這樣無(wú)限循環(huán)，得到最正確控制效果。比例環(huán)節(jié)的主要作用是:QUOTE______________________________QUOTE值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。5.5.2方向控制算法方向控制采用PID位置式算法，即直接利用式(5-2)計(jì)算，積分項(xiàng)〔Pi〕是將所有采集值偏差相加。具體程序如下所示：voidDirectionContorl(void){floatKp,Kd;Delat=inductance_0-inductance_1;Kp=Delat*PID_P_direction*0.1;Kd=(Direction_contorl_new-Direction_contorl_old)*PID_D_direction*0.01;Direction_contorl_old=Direction_contorl_new;Direction_contorl_new=Kp+Kd;Direction_contorl_value=Direction_contorl_new;if(Direction_contorl_value>1750)Direction_contorl_value=1750;if(Direction_contorl_value<1250)Direction_contorl_value=1250;}速度高度控制算法由于積分時(shí)間常數(shù)QUOTE對(duì)速度的影響，速度高度控制采用PID增量式控制，即在位置式控制的根底上加以改良，根據(jù)式(5-2)得到n-1采樣周期的控制量：QUOTE](5-3)由式(5-3)-(5-2)得：QUOTE(5-4)由此第n個(gè)采集量便于書(shū)寫(xiě)，其控制程序如下：voidheight_speed_ctrl(floatT,floatthr,floate*p_z_speed,floath_speed){ staticfloatthr_lpf; floatheight_thr; staticfloathc_acc_i,wz_speed_0,wz_speed_1; height_thr=LIMIT(2*thr,0,600); thr_lpf+=(1/(1+1/(0.5f*3.14f*T)))*(height_thr-thr_lpf); wz_acc_mms2=(wz_acc/4096.0f)*10000+hc_acc_i;//9800*T; wz_speed_0+=my_deathzoom((wz_acc_mms2),100)*T; hc_acc_i+=0.4f*T*((wz_speed-wz_speed_old)/T-wz_acc_mms2); hc_acc_i=LIMIT(hc_acc_i,-500,500); wz_speed_0+=(1/(1+1/(0.1f*3.14f*T)))*(h_speed-wz_speed_0); wz_speed_1=wz_speed_0; if(ABS(wz_speed_1)<50) { wz_speed_1=0; } wz_speed_old=wz_speed; wz_speed=wz_speed_1; wz_speed_pid_v.err=wz_speed_pid.kp*(e*p_z_speed-wz_speed); wz_speed_pid_v.err_d=0.002f/T*10*wz_speed_pid.kd*(-wz_acc_mms2)*T; wz_speed_pid_v.err_i+=wz_speed_pid.ki*wz_speed_pid.kp*(e*p_z_speed-h_speed)*T; wz_speed_pid_v.err_i=LIMIT(wz_speed_pid_v.err_i,-Thr_Weight*300,Thr_Weight*300); wz_speed_pid_v.pid_out=thr_lpf+Thr_Weight*LIMIT((wz_speed_pid.kp*e*p_z_speed+wz_speed_pid_v.err+wz_speed_pid_v.err_d+wz_speed_pid_v.err_i),-300,300); wz_speed_pid_v.err_old=wz_speed_pid_v.err;}圖像信息處理算法圖像的二值化的根本原理：圖像的二值化處理就是將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。即將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，特別是在實(shí)用的圖像處理中，以二值圖像處理實(shí)現(xiàn)而構(gòu)成的系統(tǒng)是很多的，要進(jìn)展二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣子有利于在對(duì)圖像做進(jìn)一步處理時(shí)，圖像的集合性質(zhì)只與像素值為0或255的點(diǎn)的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級(jí)值，使處理變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小。為了得到理想的二值圖像，一般采用封閉、連通的邊界定義不交疊的區(qū)域。所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為屬于特定物體，其灰度值為255表示，否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。如果*特定物體在部有均勻一致的灰度值，并且其處在一個(gè)具有其他等級(jí)灰度值的均勻背景下，使用閾值法就可以得到比擬的分割效果。如果物體同背景的差異表現(xiàn)不在灰度值上〔比方紋理不同〕，可以將這個(gè)差異特征轉(zhuǎn)換為灰度的差異，然后利用閾值選取技術(shù)來(lái)分割該圖像。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)圖像的二值化可動(dòng)態(tài)觀察其分割圖像的具體結(jié)果[22]。在程序中的實(shí)現(xiàn)方法如以下程序所示：/*圖像二值化函數(shù)*/voidImage_Binaryzation(void){inti,j;for(i=0;i<H;i++){for(j=0;j<V;j++){if(Pic_Buff[j][i]<THRESHOLD)Pic_Buff[j][i]=0*00;elsePic_Buff[j][i]=0*fe;}}}/*圖像中值濾波函數(shù)*/voidImage_Filter(void){inti,j;for(i=0;i<H;i++) { for(j=0;j<V-2;j++) { if(Pic_Buff[j][i]==0*fe&&Pic_Buff[j+1][i]==0&&Pic_Buff[j+2][i]==0*fe) Pic_Buff[j][i]=0*fe; elseif(Pic_Buff[j][i]==0&&Pic_Buff[j+1][i]==0*fe&&Pic_Buff[j+2][i]==0) Pic_Buff[j][i]=0*00;}}}/*尋找黑線位置函數(shù)*/voidGet_Black_Line(void){u8i,j;for(i=0;i<60;i++) { for(j=79;j>2;j--)//{ if((Pic_Buff[j][i]==0*00)&&(Pic_Buff[j-1][i]==0*00)) {Black_Line[i]=75;Search_t++; break;} elseif((Pic_Buff[j][i]==0*fe)&&(Pic_Buff[j-1][i]==0*fe)&&(Pic_Buff[j-2][i]==0*00)&&(Pic_Buff[j-3][i]==0*00)){Black_Line[i]=j-2; Search_t++;break;} elseBlack_Line[i]=0; }}}/*黑線位置處理函數(shù)，獲取中心值*/voidBlack_Line_handle(void){u8i;for(i=0;i<60;i++){ middle_dot+=Black_Line[i];} middle_dot=middle_dot/Search_t;}5.6小結(jié)本章首先總體講解了程序的設(shè)計(jì)，接著介紹了軟件的開(kāi)發(fā)工具，后面介紹了程序工作的流程，然后介紹了各個(gè)模塊的初始化，最后講述了本畢業(yè)設(shè)計(jì)所用的核心算法。6系統(tǒng)調(diào)試6.1軟硬件調(diào)試在完成硬件設(shè)計(jì)和制作以及程序編寫(xiě)后，要進(jìn)展整個(gè)四旋翼飛行器的調(diào)試，以檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性，整車(chē)調(diào)試的順序?yàn)椋合日{(diào)試硬件后調(diào)試軟件，硬件調(diào)試主要包括機(jī)械調(diào)試和電路調(diào)試，確保硬件工作正常后再調(diào)試軟件局部；軟件調(diào)試除了調(diào)試單片機(jī)的現(xiàn)有模塊之外就是修改控制程序以及算法參數(shù)，大多數(shù)情況下兩者需要結(jié)合起來(lái)調(diào)試。硬件調(diào)試的順序?yàn)椋合葘?duì)電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)展調(diào)試，接著是調(diào)試用于高度檢測(cè)的超聲波模塊、攝像頭模塊、加速度傳感器、陀螺儀模塊。機(jī)械調(diào)試包括機(jī)架的安裝，無(wú)刷電機(jī)的安裝，各個(gè)模塊間的接線，電子調(diào)速器，攝像頭，超聲波模塊的放置位置，盡量保證四旋翼飛行器各個(gè)地方重量均勻。電源電路：電源電路是系統(tǒng)能夠工作到關(guān)鍵，開(kāi)機(jī)就要檢測(cè)各局部電源供電是否正常，包括電源供電、5V供電、3.3V供電。6.1.1電源電路調(diào)試在根據(jù)電路原理圖完成電路焊接后，再對(duì)照電路原理圖檢查一遍，主要檢測(cè)電路所用電阻的阻值，電容的容值，器件型號(hào)是否選對(duì)，器件間連線是否正確，檢查無(wú)誤后通電測(cè)試，用萬(wàn)用表的直流電壓檔測(cè)試電路輸出是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，檢查結(jié)果如以下圖所示，其中圖6-1為3.3V電路的測(cè)試結(jié)果，比設(shè)計(jì)目標(biāo)高0.02V，可以正常使用，圖6-2為5V電路的測(cè)試結(jié)果，比設(shè)計(jì)目標(biāo)低0.05V，可以正常使用。圖6-13.3V供電檢測(cè)結(jié)果圖圖6-25.0V供電檢測(cè)結(jié)果圖攝像頭調(diào)試調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，圖像分成上下兩幅圖像，如圖6-3所示。原因分析：沒(méi)處理好場(chǎng)中斷信號(hào)，沒(méi)有嚴(yán)格根據(jù)場(chǎng)中斷信號(hào)開(kāi)場(chǎng)采集每幀的數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)采集到一圖片里由上下兩圖片錯(cuò)位構(gòu)成：上半圖是前一圖片的底部，下半圖是這圖片的頂部?；蛘邎?chǎng)中斷來(lái)了后，先處理太多東西，然后才開(kāi)場(chǎng)采集，導(dǎo)致跳過(guò)了開(kāi)頭的數(shù)據(jù)，后續(xù)采集的時(shí)候又根據(jù)采集的行數(shù)來(lái)判斷是否停頓采集，就恰好采集到下一圖像的開(kāi)頭。解決措施：仔細(xì)分析信號(hào)的時(shí)序，處理好場(chǎng)中斷信號(hào)，嚴(yán)格按照時(shí)序按照?qǐng)鲋袛嘈盘?hào)采集數(shù)據(jù)，修改后問(wèn)題解決。圖6-3圖像分成上下兩幅圖像調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題：采集到的圖像分成左右兩半類(lèi)似鏡像對(duì)稱(chēng)的圖片，而且中間有消隱區(qū)。如圖6-4所示。原因分析：讀取行的數(shù)目太多，或者中間延時(shí)太久，導(dǎo)致讀取一行變成的讀取兩行。解決措施：網(wǎng)上查資料，查閱飛思卡爾攝像頭組的相關(guān)技術(shù)報(bào)告，仔細(xì)分析信號(hào)的時(shí)序，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理好延時(shí)時(shí)間，仔細(xì)根據(jù)時(shí)序按照?qǐng)鲋袛嗖杉瘮?shù)據(jù)。修改后問(wèn)題解決。圖6-4圖像左右兩半一樣且中間有消隱區(qū)6.2通用排故方法任何一個(gè)系統(tǒng)不可能一次就調(diào)試成功，需要進(jìn)展無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)和修改才能慢慢完善，在此調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題。該四旋翼