【正文】 定 時(shí)T 0發(fā) 射 超 聲 波發(fā) 射 超 聲 波延 時(shí)2 . 3 8 m s延 時(shí)2 . 3 8 m s開 中 斷 開 始接 收開 中 斷 開 始接 收是 否 收 到 回 聲是 否 收 到 回 聲關(guān) 閉 定 時(shí) 器關(guān) 閉 定 時(shí) 器是讀 取 所 記 數(shù) 值讀 取 所 記 數(shù) 值 圖 52 超聲波模塊子程序流程圖 開 始開 始各 模 塊 初 始 化各 模 塊 初 始 化飛 行 器 上 升飛 行 器 上 升超 聲 波 測(cè) 高超 聲 波 測(cè) 高 h = 3 0 c m h = 3 0 c m圖 像 采 集圖 像 采 集 圖 像 識(shí) 別 與 分 析 圖 像 識(shí) 別 與 分 析F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0單 片 機(jī) F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0單 片 機(jī) 飛 行 控 制 模 塊飛 行 控 制 模 塊N OY E S飛 行 器定 高 飛 行飛 行 器定 高 飛 行飛 行 器循 跡 飛 行飛 行 器循 跡 飛 行基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 25 攝像頭模塊 程序流程圖 如圖 53 所示為攝像頭模塊程序流程圖 。這種分層的結(jié)構(gòu)使得對(duì) MDK5 的更新和維護(hù)更簡單，對(duì)我們開發(fā)來說效率也提高不少，因?yàn)樗峁┝撕艽筌浖?包供我們調(diào)用。支持 ARM ARM CortexM0、 CortexM0+、 CortexMCortexM CortexR4 內(nèi)核核處理器?；境绦蚰K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、無線通訊 程序等，各個(gè)模塊能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)各部分功能。電路原理圖 如圖 44 所示 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 19 4 硬件電路部分設(shè)計(jì) 4. 1 系統(tǒng) 硬件 總體 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)包括 Freescale Kinites60 處理器的 最小系統(tǒng) 板和 STM32 為核心的飛控，其中Freescale Kinites60 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 41 所示。向后飛行與向前飛行正好相反。在圖37 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) 電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)向相反。原理如圖 36 示。 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)相同。確保四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同 時(shí) 增加或減小 相同的升力 是 四旋翼飛行器 垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。 3. 4 四旋翼 飛行器力學(xué)控制原理 圖 33 四旋翼 受力模型 四旋翼 飛行器是通過四個(gè) 旋翼 產(chǎn)生的 總 力和力矩來實(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 33 模型所示。 旋翼構(gòu)造軸系的建立 圖 32 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 OX 沿構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面與機(jī)身縱向?qū)ΨQ面的交線方向，指向機(jī)頭方向?yàn)檎?；橫軸 OZ 與 OY、 OX 兩軸垂直，順旋翼旋轉(zhuǎn)方向以指向 A? =90 方位為正。 3)因?yàn)椴淮嬖谧兙刈饔茫?四旋翼的 槳葉揮舞角不 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： iik ?? ??i ， i? — 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 。 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，為接下來的工作做好準(zhǔn)備。 紅外反射式傳感器測(cè)距是 紅外線發(fā) 射 管發(fā)射 紅外線然后通過紅外線接收管 測(cè)量回波時(shí)間，光速 *時(shí)間＝距離。 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 。 二 、 將攝像頭的對(duì)比度設(shè)置成了最高，高對(duì)比度可以使軌跡信息的與白色的地面更清晰的區(qū)別開來，方便后續(xù)圖像處理 。配合 OV7725 的工作時(shí)序，通過單片機(jī)適時(shí)的對(duì)這 8 位端口進(jìn)行采集，便可得到期望的圖像點(diǎn)的灰度值。 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。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。 1)成本高； 2)功耗高，需 12V供電 表 22 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺 點(diǎn) 1)體積小，重量輕，功耗低 ； 2)內(nèi)部集成 A/D，電路要求簡 單，方便系統(tǒng)小型化； 3)平均成本低 ,便于推廣。 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。匿名科創(chuàng) ANOTC的領(lǐng)航 者飛控模塊 能 提供完全開源的飛控工程源 代 碼，飛行效果好 ， 方便 調(diào)試及后期增加功能 。 方案二：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AMS1117穩(wěn)壓芯片將 5V電壓轉(zhuǎn)換成 Freescale Kinites60單片機(jī) 。對(duì)于需要高速傳輸?shù)?系統(tǒng) ，對(duì) 數(shù)據(jù) 的讀取和中斷可用 20MHz的 SPI。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（ Digital Motion Processor） ，可用 I2C接口連接磁力計(jì)。 因?yàn)樵跍y(cè)量過程中 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 精確 ， 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。 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 無法感知飛行器本身的受力情況。 因?yàn)?四旋翼飛行器 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 ，就顯得基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 7 十分 重要。 PWM調(diào)速 的 優(yōu)點(diǎn) 如下 ： 1)由于 PWM的開關(guān)頻率 很 高，只要 通過 電樞電感濾波就 可以 得到 波 動(dòng) 比較 小的直流電流， 可以 調(diào)速 的 范圍大， 理論上 可達(dá)到 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關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 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) 。 脈沖寬度調(diào)制 PWM 調(diào)速 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。 綜合以上 比較論證 ， 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 。 普通直流電機(jī)有 操作 簡單 、 成本 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) 無法 滿足要求。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 5 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。 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(chǔ)。無線通信模塊接收遙控器傳來的控制信號(hào)，而后將控制信息傳遞給控制器模塊。 20xx 年 11 月 26日 ，由大疆創(chuàng)新研發(fā)的航拍機(jī)新產(chǎn)品 Inspire1 在深圳亮相，這也是被媒體稱為“迄今為止最酷的 “ 無人機(jī)”產(chǎn)品 ， 首度在亞洲地區(qū)進(jìn)行 公開 展示 。 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(lǐng)先的無人飛行器控制系統(tǒng)及無人機(jī)解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商，客戶遍布全球 40 多個(gè)國家。 上海交通大學(xué)在微型無人機(jī)方面的研究主要體現(xiàn)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 。NISHANT 飛行器系統(tǒng) 主要 包括飛行器、 遙控臺(tái) 和發(fā)射架。 海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的超小型干擾機(jī) :翼展 (～ )cm,質(zhì) 量 (50～ 100)g,飛行速度 (～ )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 。技術(shù)參數(shù) 為： 重 300g， 旋翼直徑 ，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 [10]。第一階段主要進(jìn)行方案論證工作 ， 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)行了 逐個(gè)測(cè)試 。 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(dòng)研制。 國內(nèi)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(jī) ， 于 1903 年 由 美國的萊特兄弟研制，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 沒有得到足夠快速 的發(fā)展， 直至 20 世紀(jì) 膜 ， 依然 沒有 多旋翼 類飛行 器 被真正地設(shè)計(jì) [4]。 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。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) 簡潔 ，結(jié)構(gòu) 合理 緊湊，有 助 于 提高電能的使用效率 。 關(guān)鍵詞 ：四旋翼 自主飛行器 ，單片機(jī)， 攝像頭 循跡， 超聲 波 ，無刷電機(jī) 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) II ABSTRACT The system intended to design and make a four rotor autonomous vehicle, and the intelligent model tracked its way by camera. At the same time, the tracking way had a black line on the white background. The project adopted the measure of modular structural design, including flight controlling module, driving module, power module, flight tracking and height detection system and so on. The design took Freescale Kinites60 MCU as data processing and controlling central, and the single ship effectively integrated various modules into a whole,of which the flight module put the STM32F407 as controlling core, in order to adjust autonomous vehicle’s flying attitude. However the flight tracking module took Freescale Kinites60 as core control