【正文】 行控制 模塊、 驅(qū)動 模塊、電源 模塊 、 循跡 飛行、 高度檢測系統(tǒng)等 ， 以 Freescale Kinites60 單片機 為數(shù)據(jù)處理 控制中心 ， 將各個模塊 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 調(diào)整 四旋翼 自主飛行器的飛行姿態(tài)；而 循跡模塊以 Freescale Kinites60 為核心控制器， 處理 攝像頭 OV7725 采集 的圖像信息 后 ， 把路徑信息反饋給飛行控制模塊， 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) ， 實現(xiàn) 設(shè)計 要求。由于 MEMS 傳感器、單片機、電機以及電池技術(shù)的發(fā)展與普及，人們對于四旋翼飛行器的研究從軍事領(lǐng)域到民用和商用領(lǐng)域都有涉及。 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(yīng)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(lǐng)域能發(fā)揮很大的作用 [3]。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)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。 由于 微機電系統(tǒng) 傳感器、單片機、電機以及電池技術(shù)的 突破 ，四旋翼飛行器的設(shè)計與研究得到了 前所未有 的發(fā)展。 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 。 Auburn 大學(xué) 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。機 身 結(jié)構(gòu) :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 。 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 。 北京理工大學(xué)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(jié)構(gòu)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。該研究院的 科研 人員在現(xiàn)有成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，正在研究能負(fù)載、可離地飛行的 四旋翼 微型 飛行器 [18]。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。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(dāng)前飛行姿態(tài)并自動調(diào)整的功能，此外具有遙控起飛和降落的功能。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(shè)計 4 無線通訊模塊傳來的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)和實際姿態(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，計算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的 PWM 信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四個電機工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。 工作重點在于基于多傳感器融合的動力學(xué)建模、姿態(tài)控制算法、控制系統(tǒng)軟硬件 、攝像頭采集信號的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成 的設(shè)計與實現(xiàn)以及調(diào)試等。 本系統(tǒng)主要由 主 控制 器 模塊、 無刷電機 驅(qū)動 模塊、 電源 模塊、 攝像頭 模塊 、 姿態(tài)測量 模塊 等 五 部分組成 ，下面分別論證這幾個模塊的選擇。它在低 KV值基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 6 (100020xxkv)， 高電壓 （ ）環(huán)境下 有 較高的轉(zhuǎn)速 和 較大扭力 ，且 具 有 調(diào)速范圍 寬、效率 高 和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等優(yōu)點 。但是單片機并不能輸出可調(diào)的直流電壓，而是用脈寬調(diào)制（ PWM） 方式來控制電機的輸入電壓。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種 利用微處理器的數(shù)字輸出 對模擬信號電平進行數(shù)字控制 的方法。導(dǎo) 通時 直流供電 完全 被加到 模擬 負(fù)載上 ， 截止 時是供電 完全 被斷開的時候。 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)計重點內(nèi)容之一，而要進行飛行器的穩(wěn)定飛行就得獲得飛行器穩(wěn)定的姿態(tài)。加速度 檢測 傳感器的工作原理： 檢測 元件將測點的加速度 變化 信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電 壓 信號，進入 信號調(diào)理 電路，經(jīng)過信號 放大 電路改善信號的信噪比，再進行 AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后 將數(shù)字信號傳遞給 單片機，單片機 對 數(shù)據(jù) 進行數(shù)字濾波 處理。陀螺儀 檢測 傳感器能感知物體的運 動 變化。綜合 考慮 性能 、體積、重量和 成本 等因素，本設(shè)計選 擇 MPU6050陀螺儀 加速度 計，其 具體的 電路連接圖如圖 22所示。 MPU6050也可以通過其 I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如 氣壓 傳感器 [20]。 2. 2 電源 模塊的論證與選擇 系統(tǒng)采用 2200mA動力鋰電池作為供電電源，電壓為 12V左右，可直接供給電調(diào)使用，其中電機由電調(diào)直接驅(qū)動，而攝像頭工作電壓 和 Freescale Kinites60單片機 為 ， 超聲波模塊的工作電壓 5V，需要通過穩(wěn)壓芯片進行一次電壓轉(zhuǎn)換為其供電。 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 。其有優(yōu)點是調(diào)試簡單，有自穩(wěn)功能，缺點是不能定高，不能姿態(tài)控制，沒有開源的飛控工程源碼 ，對后續(xù)調(diào)試，增加功能影響很大，不利于 本畢業(yè)設(shè)計的制作 ?；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。 通過比較，發(fā)現(xiàn) CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭相比于 CCD 模擬攝像頭，有著供電電路簡單，體積小巧 、 質(zhì)量輕 、 功耗低 等諸多方面的優(yōu)勢。 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 的圖像傳感器。能夠滿足基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器 對路徑檢測 的要求。 圖 23 OV7725 的控制時序圖 在使用 OV7725 時，通過 SCCB 協(xié)議，利用 SCL、 SDA 端口，對該攝像頭寄存器進行了配置，需要對該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。此外，還需要對攝像頭的其他寄存器（如：與曝光時間、白平衡有關(guān)的寄存器等）也做適當(dāng)更改，使得顯示的效果更加直觀、清晰。 其 優(yōu)點是準(zhǔn)確度高 ，可靠性高 ， 不受外界光線干擾 。 缺點 是 容易受到陽光中的紅外線干擾， 檢測距離短， 檢測距離不符合設(shè)計 要求。 不同點： 1)四旋翼 飛行器只受旋翼和機身所產(chǎn)生的力和力矩，但直升機 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。 3)假定 四旋翼 翼型阻力系數(shù)和 xC 和誘導(dǎo)速度 v 沿槳葉半徑不變 ； 4)旋翼軸均垂直于機體平面； 3. 2 四旋翼 飛行器坐標(biāo)系的建立 對飛行器進行分析經(jīng)常用坐標(biāo)系有 速度坐標(biāo)系、 機體坐標(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 數(shù)學(xué)公式 進行 變 換。以右 （ right） 旋翼為例，創(chuàng)建旋翼結(jié)構(gòu)軸系如圖 32 所示。當(dāng)控制飛行器四個旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩 變化 時，飛行器將產(chǎn)生 不同 種 類 飛行姿態(tài)，實現(xiàn) 多 種航行任務(wù)。為了不因為 四 旋翼轉(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。只不過俯仰運動改變的是電機 3 的轉(zhuǎn)速，保持電機 4 的轉(zhuǎn)速不變，使得 四旋翼 飛行器繞 y 軸進行旋轉(zhuǎn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中因為空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 18 四旋翼 的前后運動與側(cè)向運動 圖 38 四旋翼 的前后運動與側(cè)向運動意圖 要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水平電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。 同理，根據(jù) 四旋翼 飛行器前后運動的工作原理，將飛行器 x、 y 軸上的電機的工作狀態(tài)進行互換便可以實現(xiàn) 四旋翼 飛行器側(cè)向運動，原理圖如圖 38 所示。 圖 42 電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 P W MP W M電 調(diào)電 調(diào)電 機電 機電 源電 源S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 20 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 、無線通訊模塊 需要供電，其框圖如圖 43 所示 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 21 圖 45 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖 4. 4 小結(jié) 本章 首先簡述了系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計，接著講述了電機驅(qū)動模塊 、 電源模塊的設(shè)計。 Keil MDKARM（舊稱 RealView MDK）開發(fā)工具源自德國 Keil公司，被全球上百萬的嵌入式開發(fā)工程師驗證和使用，是 ARM 公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。 相比于之前的 Version4，新發(fā)布的 Version 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。同時 Freescale Kinites60 單片機控制 攝像頭模塊開始采集圖像信息，將采集到的圖像經(jīng)過處理分析，實時計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，以實現(xiàn)四旋翼飛行器的循跡飛行。 圖 53 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)。 //初始化接收機采集功能 PWM_Out_Init(400)。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 } DMA_Init(amp。 PID 算法 PID 算法簡介： PID 算法是自動控制領(lǐng)域和和自動化生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最廣泛的控制方法，其原理如圖 54 所示： ??(τ) ??(τ) ??(τ) ??(τ) — 圖 54 PID 算法 原理圖 誤差 ??(τ)代表理想輸入和實際輸入的差值將這個誤差信號送給控制器，控制器通過計算處理得出誤差信號的積分值和微分值，將這些值與某些信號進行整合比較，得到輸出值，用公式表達如下： ??(??) = K?? [??(τ)+ 1????∫ ??(τ)???? +??????0 ????(t)?? ] （ 51） 上式中， K??為比例系數(shù) , K??為積分時間常數(shù)， ????為微分時間常數(shù)。 ??2 ? 4????2?? ???? ???? controller 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 27 ??(??) = ????[e(n)+ ??????∑ ??(??)+ ????????=0 ??(n)???(???1)?? ] （ 52） 控制器將輸出量 ??(??)反饋到輸入，與輸入再一次進行比較，得到新的輸入，這樣無限循環(huán)，得到最佳控制效果。 具體程序如下所示： void DirectionContorl(void) { float Kp, Kd。當(dāng)達到某個 K??值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。此式是時域表達式，而單片機智能處理數(shù)字信號，即數(shù)字 PID 控制。 //DMA 初始化 5. 5 算法設(shè)計 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)計外，還在于控制程序的算法是否準(zhǔn)確而合理。 //延時 Ultrasonic_Init()。 //延時 MPU6050_Init(20)。 //滴答時鐘 I2c_Soft_Init()。 開 始開 始初 始 化 定時 器初 始 化 定時 器啟 動 定 時T 0啟 動