【正文】 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 。 //延時 MPU6050_Init(20)。 //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。當(dāng)達(dá)到某個 K??值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。 ??2 ? 4????2?? ???? ???? controller 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 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(jìn)行比較，得到新的輸入，這樣無限循環(huán)，得到最佳控制效果。 } DMA_Init(amp。 //初始化接收機(jī)采集功能 PWM_Out_Init(400)。同時 Freescale Kinites60 單片機(jī)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(shí)時計(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。 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(yàn)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。 圖 42 電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 P W MP W M電 調(diào)電 調(diào)電 機(jī)電 機(jī)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(jì) 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(jì) 18 四旋翼 的前后運(yùn)動與側(cè)向運(yùn)動 圖 38 四旋翼 的前后運(yùn)動與側(cè)向運(yùn)動意圖 要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動，必須在水平電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。只不過俯仰運(yùn)動改變的是電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速不變，使得 四旋翼 飛行器繞 y 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。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(shí)現(xiàn) 多 種航行任務(wù)。 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(jī)體平面； 3. 2 四旋翼 飛行器坐標(biāo)系的建立 對飛行器進(jìn)行分析經(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 數(shù)學(xué)公式 進(jìn)行 變 換。 缺點(diǎn) 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(jì) 要求。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。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。 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。其有優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡單，有自穩(wěn)功能，缺點(diǎn)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(jì)的制作 。 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(jī)由電調(diào)直接驅(qū)動，而攝像頭工作電壓 和 Freescale Kinites60單片機(jī) 為 ， 超聲波模塊的工作電壓 5V，需要通過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行一次電壓轉(zhuǎn)換為其供電。綜合 考慮 性能 、體積、重量和 成本 等因素，本設(shè)計(jì)選 擇 MPU6050陀螺儀 加速度 計(jì)，其 具體的 電路連接圖如圖 22所示。加速度 檢測 傳感器的工作原理： 檢測 元件將測點(diǎn)的加速度 變化 信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電 壓 信號，進(jìn)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(jìn)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(jī)，單片機(jī) 對 數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)字濾波 處理。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。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） 方式來控制電機(jī)的輸入電壓。 本系統(tǒng)主要由 主 控制 器 模塊、 無刷電機(jī) 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。攝像頭模塊采集的圖像，通過 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、傳感器模塊和基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 4 無線通訊模塊傳來的目標(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 信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四個電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。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(dá) 1000 美元的 Phantom 四翼直升機(jī)。 北京理工大學(xué)的智能機(jī)器人研究所則從另一方面入手，通過對微型旋翼式 四旋翼 飛行器進(jìn)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。機(jī) 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 。 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 。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(jī)的研究與發(fā)展不斷向前行進(jìn)。由于 MEMS 傳感器、單片機(jī)、電機(jī)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。 本 系統(tǒng) 采用模塊結(jié)構(gòu) 化 設(shè)計(jì)的方法， 包括飛行控制 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(jī) 為數(shù)據(jù)處理 控制中心 ， 將各個模塊 有效配合 形成整體。由此，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì) 也朝著 小型化、多樣化 方向發(fā)展 ，應(yīng)用范圍也 在不斷地?cái)U(kuò)大 [2]。 美國科學(xué)家布魯諾 ? W? 奧根斯坦在 1992 年美國國防高級研究計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 2 Oemichen 以及 . Kaplan [5]。 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(yùn)動靈活 的微型飛行器 [8]。 此 飛行器 由 軍隊(duì)人員 帶到距離目標(biāo)幾千米處 手動 發(fā)射 [12]。其微納米科學(xué)技術(shù)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(jī)。 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)行循跡飛行功能。 本文主要從如下幾個方面入手對 四旋翼 飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)研究： (1) 四旋翼 飛行器原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)，飛行控制器硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)； (2) 攝像頭采集信號的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成； (3) 攝像頭采集的信號轉(zhuǎn)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(yùn)行狀態(tài)的采集和反饋； (6) 四旋翼飛行器 PID 參 數(shù)調(diào)整； (7) 遙控器控制信號的發(fā)送和接收。 方案二： 采用新西達(dá) 公司生產(chǎn)的 A2212/13T1000KV無刷 直流 電 動 機(jī) 。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域 [19]。 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)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了 PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。 根據(jù)牛頓第二定律， 要 想通過加速度檢測傳感器 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 傳感器就需要在靜止或者勻速 運(yùn)動 的情況下進(jìn)行測量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運(yùn)動的，所以無法 使用加速度檢測傳感器測量的數(shù)據(jù) 來 控制 四旋翼飛行器。擴(kuò)展之后就可以通過其 I2C接口輸出一個 9軸 變化 的 數(shù)字 信號。電路內(nèi)部有 過熱 、 過 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 過高時，其工作的 穩(wěn)壓性能將變差，甚至 燒毀 。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)處理和軌跡識別的要求，又要考慮到單片機(jī)采集和處理的能力。而 CCD 模擬攝像頭未能提供 PCLK 信號，同時為了得到數(shù)字灰度值，我們需要對 CCD 輸出的模擬信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，增加了電路的復(fù)雜度。 OV7725 的 SCCB基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 10 控制時序圖如圖 23 所示。 超聲波發(fā)射器向 正前 方 發(fā) 射超聲波，同時 計(jì)時 開始，超聲波在空氣中傳播，途中 若 碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器接收到反射信號立即停止計(jì)時， 通過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。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 12 3 系統(tǒng)理論分析 3. 1 四旋翼 飛行器的模型簡析 四旋翼 飛行器與 其他 類別的 飛行器 相比 較 ，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 飛行器空氣動力學(xué)分析可以 參考 其他多 旋翼式飛行器飛行動力學(xué)基本原理。 因?yàn)?四旋翼 飛行器具有四個旋翼，所以一共有四個旋翼構(gòu)造軸系。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 16 四旋翼 的俯仰運(yùn)動 圖 35 四旋翼 的俯仰運(yùn)動意圖 在圖 35 中，電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速增加，電機(jī) 3 轉(zhuǎn)速 減小 ，電機(jī) 電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定 不變 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 17 圖 36 四旋翼 的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動意圖 四旋翼 的偏航運(yùn)動 圖 37 四旋翼 的偏航運(yùn)動意圖 四旋翼 飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在圖 35 和圖 36 中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時也會產(chǎn)生沿 x、 y 軸的水平運(yùn)動。 圖 44 AMS1117 穩(wěn)壓電路圖 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖，如圖 45 所示 。 Keil MDK 可以自動配置啟動代碼，集成 Flash 燒寫模塊，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 20％以上。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。 //加速度計(jì) 、 陀螺儀初始化 ， 配置 20Hz 低通 LED_Init()。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過 直角 彎道時能否根據(jù) 進(jìn)行飛行方向 的轉(zhuǎn)變， 高度 控制在于 超聲波模塊檢測到距地面高度的距離偏差有多大調(diào)整四個無刷 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 ，下面逐一分析。 方向控制