【正文】 ......................... 12 3. 3 四旋翼飛行 器上總的力和力矩 ................................................................... 14 3. 4 四旋翼飛行器力學(xué)控制原理 ....................................................................... 14 3. 5 小結(jié) ............................................................................................................... 18 4 硬件電路部分設(shè)計(jì) ............................................................................................. 19 4. 1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) ....................................................................................... 19 4. 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ............................................................................................... 19 4. 3 電源模塊 ....................................................................................................... 20 4. 4 小結(jié) ............................................................................................................... 21 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件部分設(shè)計(jì) ................................................................................... 22 5. 1 程序設(shè)計(jì)總論 ............................................................................................... 22 5. 2 軟件開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)介 ....................................................................................... 22 5. 3 程序流程圖 ................................................................................................... 23 5. 4 各模塊初始化 ............................................................................................... 25 5. 5 算法設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 26 5. 6 小結(jié) ............................................................................................................... 30 6 系統(tǒng)調(diào)試 .............................................................................................................. 31 6. 1 軟硬件調(diào)試 ................................................................................................... 31 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) IV 6. 2 通用排故方法 ............................................................................................... 33 6. 3 小結(jié) ............................................................................................................... 34 7 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 35 致謝 ............................................................................................................................ 36 附錄 ............................................................................................................................ 37 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 1 1 概論 選題背景 四旋翼飛行器 是一種有 四 個(gè)螺旋槳且 由兩對(duì)正反 槳呈 “ +” 形交叉 排列 的飛行器 。 循跡 模塊和超聲波模塊 與飛 行控制 模塊 通過(guò)串口 保持即時(shí)通信， 飛 行控制 模塊 根據(jù)實(shí)時(shí) 反饋的信息， 控制 電調(diào)驅(qū)動(dòng)四個(gè) 無(wú)刷 電機(jī)完成自主 穩(wěn)定 飛行。 例如在 災(zāi)害中，通過(guò)攜帶 指 定 的 檢測(cè)模塊，四旋翼飛行器可以 探 測(cè)有害物質(zhì)的濃度、 災(zāi)害 周?chē)?的溫濕度以及危險(xiǎn)物的大致范圍，能夠?qū)崟r(shí) 回傳 數(shù)據(jù)， 便于指揮人員對(duì)災(zāi)害情況的掌握 。微型飛行器應(yīng)用范圍 寬廣 ， 可作為低成本的遙感平臺(tái)，全世界 對(duì)飛行器的 研制和投入 也達(dá)到了新的高度 [6]。 目前 設(shè)計(jì)出兩種機(jī)型 ， 即共軸雙旋翼和單旋翼 ,都 沒(méi)有尾漿 調(diào)向 。 技術(shù)參數(shù) ： 翼 長(zhǎng) ， 長(zhǎng) 度為 120cm， 質(zhì)量為 300kg， 負(fù)載 45kg，采用德國(guó) 制造的 發(fā)動(dòng)機(jī) ， 推進(jìn)式螺旋槳 ， 飛行高度 為 950m 左右 ， 續(xù)航時(shí)間 300min。 四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司 國(guó)際上比較知名的 四旋翼 飛行器公司有中國(guó)大疆公司、法國(guó) Parrot 公司、德國(guó)AscTec 公司和美國(guó) 3D Robotics 公司。全部控制系統(tǒng)囊括電源模塊、攝像頭模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制器模塊。 小結(jié) 本章首先 介紹 課題的選題背景，之后介紹了國(guó)內(nèi)外 四旋翼 飛行器的發(fā)展歷史以及研究現(xiàn)狀， 隨后介紹了飛行器的主要生產(chǎn)公司， 最后指出了本文的研究目的、方法 及研究的重點(diǎn)內(nèi)容。 它 克服 了普通 直流 電機(jī)的扭矩小的缺 點(diǎn) ， 滿(mǎn)足 系統(tǒng)精度控制要求及負(fù)載要求。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式 ，利用 高分辨率計(jì)數(shù)器 改變 方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè) 模擬信號(hào)的 具體電平編碼。傳感器用來(lái)感知 自身的姿態(tài)位置信息及 外界環(huán)境 的 變 化 ，為控制 系統(tǒng)提供控制依據(jù) 。四旋翼飛行器的 飛行控制 器通過(guò)讀取 陀螺儀 檢測(cè) 傳感器 采集的 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ，并 依據(jù) 四旋翼飛行器 當(dāng)前姿態(tài) 進(jìn)行反饋控制，即可以使得 四旋翼飛行器 保持 穩(wěn)定的飛行 。 MPU6050與 其他處理器 之間的通信采用 400kHz的 I2C接口。 2. 3 飛行 控制模塊的論證與選擇 方 案一： 領(lǐng)航者 飛控模塊。 CCD 模擬基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 9 攝像頭和 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭，其優(yōu)缺點(diǎn)如表 2表 22 所示： 表 21 CCD 模擬攝像頭的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 1)靈敏度高，適于高速運(yùn)行； 2)噪點(diǎn)低。選用型號(hào)是 OV7725 數(shù)字 CMOS 攝像頭。 一 、 將攝像頭的分辨率配置成 180*240，這樣可以使單片機(jī)在采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，能盡可能少的響應(yīng)沒(méi)有必要的行場(chǎng)中斷，增強(qiáng)了單片機(jī)的處理效率 。 方案二： 紅外傳感器測(cè)距 。 2)四旋翼 飛行器擁有多個(gè) 旋 翼，由 控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)的飛行姿態(tài)，產(chǎn)生 PWM 通過(guò)改變占空比的方式來(lái) 控制和協(xié)調(diào)各 旋 翼的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，來(lái)改變各個(gè) 旋 翼 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中 所產(chǎn)生的升力和扭矩，達(dá)到控制 四旋翼 飛行器的姿態(tài) 、位置 和飛行方向 ，而 不像其他直升機(jī) 需要改變槳葉的槳矩角 來(lái)控制其飛行的姿態(tài)及方向 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 14 3. 3 四旋翼 飛行器上總的力和力矩 因?yàn)樵?四旋翼 各旋翼 間 相互干擾方面缺乏資料參 照 ，還需做 更深層次 的研 究 ，所以暫時(shí)只能單獨(dú)考慮 多 旋翼與機(jī)身 間 的作用，計(jì)算出 四旋翼 飛行器受到的 力矩 和 總力 ： xGx s hx s jx s jx s jx s j FFFFFFF ??????? 4321x （ 32） yGy s hy s jy s jy s jy s jy FFFFFFF ??????? 4321 （ 33） zGzshzsjzsjzsjzsj FFFFFFF ??????? 4321z （ 34） x s hx s jx s jx s jx s j MMMMMM ?????? 4321x （ 35） y s hy s jy s jy s jy s j MMMMMM ?????? 4321y （ 36） z s hz s jz s jz s jz s j MMMMMM ?????? 4321z （ 37） 式中 FxG、 FyG、 FzG為重力在 四旋翼飛行器 機(jī)體軸上的分量，其中： ?sinx ??? GF G （ 38） ?? c o sc o sy ???? GF G （ 39） ?? s inc o sz ??? GF G （ 310） 機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)在 四旋翼飛行器的 重心，因此： 0?GM 。由于旋翼 1 的升力增加，旋翼 3 的升力降低，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn) 一定的角度 （方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速 減小 ，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速增加，機(jī)身便繞 y 軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡， 四旋翼 飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。 3. 5 小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)單的介紹了四旋翼飛行器的模型 ， 后面簡(jiǎn)述了四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立 ， 接著分析了四旋翼飛行器所收到的力和力矩 ， 最后講述的四旋翼飛行器的力學(xué)控制原理 ， 為后續(xù)四旋翼飛行器的控制打下了理論基礎(chǔ) 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 22 5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件部分設(shè)計(jì) 5. 1 程序設(shè)計(jì) 總論 系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 使用 Keil MDKARM 開(kāi)發(fā)環(huán)境， 使得系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便。 Keil 將 MDK5 分成了 MDK 內(nèi)核和 Software Pack 兩部分，其內(nèi)核部分仍然是包括編輯器、編譯器、包安裝和調(diào)試跟蹤，而 Software Pack 則又包含 Device、CMSIS 和 MDK professional Midware。 //中斷優(yōu)先級(jí)組別設(shè)置 SysTick_Configuration()。 //參數(shù)初始化 Delay_ms(100)。 ??(τ)為控制量；??(τ)為被控量與設(shè)定值 ??(τ)的偏差。 Delat = inductance_0i