【正文】 ................................................................................... 31 6. 1 軟硬件調試 ................................................................................................... 31 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 IV 6. 2 通用排故方法 ............................................................................................... 33 6. 3 小結 ............................................................................................................... 34 7 參考文獻 .............................................................................................................. 35 致謝 ............................................................................................................................ 36 附錄 ............................................................................................................................ 37 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 1 1 概論 選題背景 四旋翼飛行器 是一種有 四 個螺旋槳且 由兩對正反 槳呈 “ +” 形交叉 排列 的飛行器 。四旋翼飛行器通過 輸出占空比的方式 調節(jié)四個 無刷 電機轉速來改變旋翼轉速，實現(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 造價低且可復制性強的特點，已成為航模界的新銳力量。由于 MEMS 傳感器、單片機、電機以及電池技術的發(fā)展與普及，人們對于四旋翼飛行器的研究從軍事領域到民用和商用領域都有涉及。 近些年來，由于 自動 控制技術 、 微 電子 控制 技術 和傳感器技術 的發(fā)展，運用先進的控制技術，使用無刷電機代替 傳統(tǒng)油 動力進行四旋翼飛行器的研究，各個旋翼對機身所施加的反扭 矩與旋翼的旋轉方向相反，可以平衡 旋翼對機身的反扭矩，因此不需要專門的反扭矩槳。又由于 四旋翼 飛行器能夠 在一塊 電路板 上實現(xiàn)多種功能且僅 使用一塊電池 ，使得 其 設計 簡潔 ，結構 合理 緊湊，有 助 于 提高電能的使用效率 。由此，四旋翼飛行器的設計 也朝著 小型化、多樣化 方向發(fā)展 ，應用范圍也 在不斷地擴大 [2]。 四旋翼飛行器 以 其 體積小， 飛行靈活， 在 飛行 時 又有較 強的防 窺探 能力，在軍事 偵查方面 的應用空間 很大；在民用、城市交通、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)巡察領域能發(fā)揮很大的作用 [3]。 例如在 災害中，通過攜帶 指 定 的 檢測模塊，四旋翼飛行器可以 探 測有害物質的濃度、 災害 周圍 的溫濕度以及危險物的大致范圍，能夠實時 回傳 數(shù)據(jù)， 便于指揮人員對災害情況的掌握 。 隨著 新型材料以及 制造業(yè)的 快速 發(fā)展，四旋翼飛行器 也 朝著 微型化 的方向發(fā)展。目前看來，四旋翼飛行器 依然不少 技術問題 沒有解決，許多技術問題 依然 沒有突破性的進展 [5]。因此，在現(xiàn)有技術的基礎上，盡可能地解決現(xiàn)在 沒有解決 的問題，才能 使 無人機的研究與發(fā)展不斷向前行進。四旋翼飛行器所涉及的知識體系 范圍 寬 ， 而且 其研究范 圍隨著研究的 逐步 深入 仍在 擴 展 ，而對其中的 某些 存在的 問題開展一 部分 前瞻 性研究也正是本 畢業(yè)設計 的目的 之一 。 國內外飛行器的研究現(xiàn)狀 回顧 歷史， 全球 第一架可載人飛行的飛機 ， 于 1903 年 由 美國的萊特兄弟研制，人們對于 四旋翼 飛行器的探索也 起源 于那個時代，由于 當時的 科學技術 水平低 以及 理論知識 欠缺 的 原因 ， 四旋翼 飛行 器 沒有得到足夠快速 的發(fā)展， 直至 20 世紀 膜 ， 依然 沒有 多旋翼 類飛行 器 被真正地設計 [4]。 美國科學家布魯諾 ? W? 奧根斯坦在 1992 年美國國防高級研究計劃局 (DARPA)主持的一次軍事會議上提出 微型飛行器 (MicroAirVehicle)的概念 ， 四旋翼 飛行器 最早設計并完成 并 試飛的是 Breguet 兄弟， Gee De Bothezat, Etienne 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 2 Oemichen 以及 . Kaplan [5]。 由于 微機電系統(tǒng) 傳感器、單片機、電機以及電池技術的 突破 ，四旋翼飛行器的設計與研究得到了 前所未有 的發(fā)展。微型飛行器應用范圍 寬廣 ， 可作為低成本的遙感平臺，全世界 對飛行器的 研制和投入 也達到了新的高度 [6]。 美國研制四旋翼飛行器的現(xiàn)狀 微型飛行器 是由 DARPA 率先提出和啟動研制。 1995 年 11 月 ， DARPA 召開了微型飛行器可 行性 專題討論 會； 1996 年 3 月 ,DARPA 召開了向工業(yè)界通報情況的介紹會；1996 年 10 月 ,DARPA 召開了用戶與研制者的討論會； 1997 年 DARPA 正式通過小型商業(yè)革新研究 (SBIR)項目 ,投資進行系統(tǒng)研究或發(fā)展特種技術 [7]。 1998 年 4 月 ,一種名為 微星 的微型飛行器方案 由 美國桑德斯提出 。 微星 的 設計參數(shù)參數(shù)為 :翼展約 15cm,質 量 15g， 具有自動 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。第一階段主要進行方案論證工作 ， 包括對飛行器的 動力 系統(tǒng)、 姿態(tài)感知系統(tǒng) 、 錄像系統(tǒng) 、導航 系統(tǒng) 等所有輔助 設施 進行了 逐個測試 。 20xx 年 9 月 制造 出一種采用大容量 電池、 飛行 穩(wěn)定、 可錄 像 且運動靈活 的微型飛行器 [8]。 Auburn 大學 和 Lutronix 公司 成功 研制 了一種新型的 旋翼式飛行器機體 :使用 直升機布局 ,從 外型 上看為 圓柱形 ,上部裝 有 旋翼 ,下部帶 錄像 機。 目前 設計出兩種機型 ， 即共軸雙旋翼和單旋翼 ,都 沒有尾漿 調向 。技術參數(shù) 為： 重 300g， 旋翼直徑 ，可負載重量為 100g， 具有三 個 軸向穩(wěn)定 調節(jié) 、 全球定位系統(tǒng) 和 120min 續(xù)航 時長 [10]。 “ Entomopter” 撲 翼式微型 飛機 由 California Institute of Technology 和 AeroVironment公司 及 University of California 聯(lián)合研制 ，共花費約 180 萬美元。機 身 結構 :采用撲翼布局 ,著重探索 撲翼式飛行器 可不可以 像蜂鳥一樣垂直 上下 飛行 ，使其 具有更好的隱身 功能 。 技術參數(shù) :翼展 ，質量為 10g,采用鎳鎘 可充電 電池 ， 在 沒有遙控 條件下飛行了 18s， 飛行距離 46m， 機翼能以 20Hz 的頻率 扇動 [11]。 海軍研究實驗室研制的超小型干擾機 :翼展 (～ )cm,質 量 (50～ 100)g,飛行速度 (～ )km/h,飛行 時間 1200s,載重 16g,研制 目的是在敵人雷達上 投放 一個重約 16g 的雷達 擾亂 器 。 此 飛行器 由 軍隊人員 帶到距離目標幾千米處 手動 發(fā)射 [12]。 印度研制的微型直升飛機 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 。 技術參數(shù) ： 翼 長 ， 長 度為 120cm， 質量為 300kg， 負載 45kg，采用德國 制造的 發(fā)動機 ， 推進式螺旋槳 ， 飛行高度 為 950m 左右 ， 續(xù)航時間 300min。NISHANT 飛行器系統(tǒng) 主要 包括飛行器、 遙控臺 和發(fā)射架。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 3 中國的微型飛行器 國內部分高等院校和科研機構正在開展微型飛行器的研究工作 ， 研究成果主要有北京理工大學的智能機器人研究所、國防科技大學機器人實驗室和上海交通大學微納米科學技術研究院等在做這方面的相關研究工作。 北京理工大學的智能機器人研究所則從另一方面入手，通過對微型旋翼式 四旋翼 飛行器進行結構與動力特性的分析，自行研制了一種微型旋翼式 四旋翼 飛行器。并在此原型機的基礎上，基于 PID 控制算法，進行了不少姿態(tài)控制算法方面研究工作，也取得了一定的研究成果 [16]。 上海交通大學在微型無人機方面的研究主要體現(xiàn)在非線性控制、機器 識別 以及 相似智能辨識等方面的 研制 。其微納米科學技術研究院曾 制造 出以直徑僅有 作為 動力 的雙旋翼微型直升機。該研究院的 科研 人員在現(xiàn)有成功經(jīng)驗的基礎上，正在研究能負載、可離地飛行的 四旋翼 微型 飛行器 [18]。 四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司 國際上比較知名的 四旋翼 飛行器公司有中國大疆公司、法國 Parrot 公司、德國AscTec 公司和美國 3D Robotics 公司。 深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司 (DJIInnovations，簡稱 DJI)，成立于 20xx 年，是全球領先的無人飛行器控制系統(tǒng)及無人機解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商，客戶遍布全球 40 多個國家。通過持續(xù)的創(chuàng)新，大疆致力于為無人機工業(yè)、行業(yè)用戶以及專業(yè)航拍應用提供性能最強、體驗最佳的革命性智能飛 行控制 產(chǎn)品和解決方案。中國深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司在 20xx 年初推出了一款售價高達 1000 美元的 Phantom 四翼直升機。該公司去年的銷 公司、 售額達到了 億美元，并預計今年還能再增長 3 倍之多。 20xx 年 11 月 26日 ，由大疆創(chuàng)新研發(fā)的航拍機新產(chǎn)品 Inspire1 在深圳亮相，這也是被媒體稱為“迄今為止最酷的 “ 無人機”產(chǎn)品 ， 首度在亞洲地區(qū)進行 公開 展示 。 本研究的目的和意義 本四旋翼飛行器控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)由攝像頭地面的道路信息進行循跡飛行功能。飛行器通過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，同時具有感知當前飛行姿態(tài)并自動調整的功能，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、無線通信模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、控制器模塊。無線通信模塊接收遙控器傳來的控制信號，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時監(jiān)測飛行器飛行的當前飛行姿態(tài)，并將飛行器的當前飛行姿態(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 單片機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、傳感器模塊和基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 4 無線通訊模塊傳來的目標姿態(tài)數(shù)據(jù)和實際姿態(tài)數(shù)據(jù)后完成一系列復雜的算法，得到 當前四旋翼飛行器的 位置 和 姿態(tài) 信息，計算出控制量，轉化為相應的 PWM 信號經(jīng)驅動電路后驅動四個電機工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。 本 設計 的主要 設計 任務是 基于 STM32 系列單片機 和 Freescale Kinites60 單片機 設計并制作一臺四旋翼 飛行器樣機 ， 其中 STM32 系列單片機 主要用來實現(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 、 超聲波等傳感器），姿態(tài)解算，超聲波定高 ，主要是實現(xiàn)控制模塊的功能； Freescale Kinites60 單片機處理攝像頭數(shù)據(jù) ， 分析出路徑信息 ， 并把路徑信息轉換為相應的控制信息，并把相應的控制信息傳輸給控制模塊，實現(xiàn)四旋翼飛行器的自主循跡功能，同時可以接收無線數(shù)據(jù)， 實現(xiàn) 遙控起飛和降落的功能 ，主要實現(xiàn)的是圖像采集處理分析的功能 。 設計實現(xiàn)飛行控制器硬件，并調試完成 四旋翼 飛行器， 該樣機通過攝像頭能夠循跡并在離地面一定的高度穩(wěn)定飛行， 為后期的研究奠定基礎。 本文主要從如下幾個方面入手對 四旋翼 飛行器的設計進行詳細研究： (1) 四旋翼 飛行器原型樣機結構與實現(xiàn)，飛行控制器硬件設計及實現(xiàn)； (2) 攝像頭采集信號的調試、轉換和生成； (3) 攝像頭采集的信號轉換為四旋翼飛行器的控制信號； (4) 四旋翼飛行器飛行模型的建立； (5) 四旋翼飛行器運行狀態(tài)的采集和反