【正文】 算法 方向控制采用 PID 位置式算法，即直接利用式 (52)計算，積分項（ Pi）是將所有采集值偏差相加。將式 （ 51）離散化得： ????= ??? 177。 //超聲波初始化 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 26 if(SCCB_Init(I2C0_SCL_PB00_SDA_PB01)) //攝像頭 OV7725 初始化 { while(1)。 //初始化模擬 I2C PWM_IN_Init()。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 23 圖 51 MDK5 開發(fā)環(huán)境主界面 5. 3 程序流程圖 主程序流程圖 下圖 52 為 主程序流程圖， 程序啟動后進行各部分模塊的初始化，對 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，四旋翼飛行器開始起飛，起飛過程中由 STM32 控制超聲波模塊檢測離地面高度，到達一定高度（可以人為設(shè)定）后，停止上升，飛行器保持相應(yīng)的高度飛行 。 5. 2 軟件開發(fā)工具 簡介 源程序的編寫、編譯和鏈接都是在 Keil MDKARM 軟 件下進行的，并最后生成可執(zhí)行文件。 電 機 模 塊新 西 達 電 機A 2 2 1 2 / 1 3 T電 機 模 塊新 西 達 電 機A 2 2 1 2 / 1 3 T電 機 驅(qū) 動 模 塊無 刷 電 機 電 子調(diào) 速 器電 機 驅(qū) 動 模 塊無 刷 電 機 電 子調(diào) 速 器2 2 0 0 毫 安 動 力鋰 電 池2 2 0 0 毫 安 動 力鋰 電 池S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊 H C S R 0 4超 聲 波 測 距 模塊 H C S R 0 4超 聲 波 測 距 模塊F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0 處 理 器 的 最 小 系 統(tǒng) 板F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0 處 理 器 的 最 小 系 統(tǒng) 板循 跡 模 塊 C M O S 攝 像 頭 循 跡A S M 1 1 1 7 3 . 3 圖 41 系統(tǒng)總體框圖 4. 2 電機驅(qū)動 模塊 電機驅(qū)動模塊主要由 STM32 飛行控制模塊產(chǎn)生 PWM 波來控制，通過調(diào)節(jié)占空比的方式來控制無刷電機的轉(zhuǎn)速， 電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 如圖 42 所示 。原理如圖 37示。 都是 為了實現(xiàn) 四旋翼 飛行器的翻轉(zhuǎn)。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 15 圖 33 中 前F 、 后F 、 左F 、 右F 分別代表前后左右四個旋翼的升力； 前M 、 后M 、 左M 、右M 分別代表前后左右四個旋翼的力矩。 結(jié)合以上特點，并對 四旋翼 飛行器作如下假設(shè)： 1)假設(shè)槳葉和機身都是剛性的，忽略 槳葉和機身 彈性變形造成的影響，且槳葉弦長b 為常數(shù) ，不會隨運動狀態(tài)的 變化 而改變 ； 2)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： ? （ 31） yC — 升力系數(shù)； 7yC — 特性切面的升力系數(shù)。 其 優(yōu)點 是 利 于裝配，使用 方便 ，受 可見光 干擾 小 。 三 、 根據(jù)實際的圖像顯示效果，適時合適的更改圖像的亮度，是顯示效果更加滿意。 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。 1)靈敏度低， 不適于高速運行； 2)噪點高。 方案二： 飛行控制模塊。此外， MPU6050片上還 內(nèi)部還有 了一個溫度傳感器 用于矯正溫度變化對采集數(shù)據(jù)的影響 。 因此利用加速度 檢測傳感器 和陀螺儀 檢測傳感器 的組合可以 檢測 和輸出 四旋翼 飛行器的 方位 、 速度 和引力來感知飛行器的運動狀態(tài)。 加速度 檢測 傳感器是可以 檢測加速力 變化 的電子 器件 。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。 電機 驅(qū)動電路 電機轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是跟流過電機的電流有關(guān)，即跟加在兩端的電壓有關(guān)。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測到的姿態(tài)信息并實時解算，根據(jù) 攝像頭 采集 到的 圖像 信息， 通過二值化算法，得到具體的線路信息 ， 通過 Freescale Kinites60單片機 計算輸出控制量 ； 并把控制量傳遞給 STM32F407， 控制飛行器的飛行方向及姿態(tài) ； 通過無線通信模塊與遙控器進行數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn) 飛行器的起飛、降落及飛行姿態(tài) 和位置 的調(diào)整 。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(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。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(yīng)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。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 3 中國的微型飛行器 國內(nèi)部分高等院校和科研機構(gòu)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(xué)的智能機器人研究所、國防科技大學(xué)機器人實驗室和上海交通大學(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。 “ 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。 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(shù) [7]。目前看來，四旋翼飛行器 依然不少 技術(shù)問題 沒有解決，許多技術(shù)問題 依然 沒有突破性的進展 [5]。四旋翼飛行器通過 輸出占空比的方式 調(diào)節(jié)四個 無刷 電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)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(fù)制性強的特點，已成為航模界的新銳力量。 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。 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]。 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。 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。 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 。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]。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。 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。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 。 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。 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)。陀螺儀 檢測 傳感器能感知物體的運 動 變化。 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]。 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 ?；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。 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。 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。 其 優(yōu)點是準(zhǔn)確度高 ，可靠性高 ， 不受外界光線干擾 。 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。以右 （ right） 旋翼為例，創(chuàng)建旋翼結(jié)構(gòu)軸系如圖 32 所示。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。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。 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。 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。 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。 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)。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 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)。 具體程序如下所示： void DirectionContorl(void) { float Kp, Kd。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。 //延時 Ultrasonic_Init()。 //滴答時鐘