【正文】 ................................................................... 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 。 美國(guó)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。NISHANT 飛行器系統(tǒng) 主要 包括飛行器、 遙控臺(tái) 和發(fā)射架。無(wú)線通信模塊接收遙控器傳來(lái)的控制信號(hào)，而后將控制信息傳遞給控制器模塊。 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 。 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。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。 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(jiǎn) 單，方便系統(tǒng)小型化； 3)平均成本低 ,便于推廣。 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(kāi)來(lái)，方便后續(xù)圖像處理 。 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 。 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。 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。這種分層的結(jié)構(gòu)使得對(duì) MDK5 的更新和維護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)我們開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)效率也提高不少，因?yàn)樗峁┝撕艽筌浖?包供我們調(diào)用。 //延時(shí) Ultrasonic_Init()。 具體程序如下所示： void DirectionContorl(void) { float Kp, Kd。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 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。 同理，根據(jù) 四旋翼 飛行器前后運(yùn)動(dòng)的工作原理，將飛行器 x、 y 軸上的電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行互換便可以實(shí)現(xiàn) 四旋翼 飛行器側(cè)向運(yùn)動(dòng)，原理圖如圖 38 所示。為了不因?yàn)?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。 不同點(diǎn)： 1)四旋翼 飛行器只受旋翼和機(jī)身所產(chǎn)生的力和力矩，但直升機(jī) 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。 圖 23 OV7725 的控制時(shí)序圖 在使用 OV7725 時(shí)，通過(guò) SCCB 協(xié)議，利用 SCL、 SDA 端口，對(duì)該攝像頭寄存器進(jìn)行了配置，需要對(duì)該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。基于攝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。 MPU6050也可以通過(guò)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 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(jì)重點(diǎn)內(nèi)容之一，而要進(jìn)行飛行器的穩(wěn)定飛行就得獲得飛行器穩(wěn)定的姿態(tài)。它在低 KV值基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 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(diǎn) 。飛行器通過(guò)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(shí)具有感知當(dāng)前飛行姿態(tài)并自動(dòng)調(diào)整的功能，此外具有遙控起飛和降落的功能。 印度研制的微型直升飛機(jī) 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 。 由于 微機(jī)電系統(tǒng) 傳感器、單片機(jī)、電機(jī)以及電池技術(shù)的 突破 ，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與研究得到了 前所未有 的發(fā)展。 其中飛行控制模塊以 STM32F407 為控制核心，用來(lái) 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(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì) 要求。目前看來(lái)，四旋翼飛行器 依然不少 技術(shù)問(wèn)題 沒(méi)有解決，許多技術(shù)問(wèn)題 依然 沒(méi)有突破性的進(jìn)展 [5]。 “ Entomopter” 撲 翼式微型 飛機(jī) 由 California Institute of Technology 和 AeroVironment公司 及 University of California 聯(lián)合研制 ，共花費(fèi)約 180 萬(wàn)美元。通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新，大疆致力于為無(wú)人機(jī)工業(yè)、行業(yè)用戶(hù)以及專(zhuān)業(yè)航拍應(yīng)用提供性能最強(qiáng)、體驗(yàn)最佳的革命性智能飛 行控制 產(chǎn)品和解決方案。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)信息并實(shí)時(shí)解算，根據(jù) 攝像頭 采集 到的 圖像 信息， 通過(guò)二值化算法，得到具體的線路信息 ， 通過(guò) Freescale Kinites60單片機(jī) 計(jì)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(guò)無(wú)線通信模塊與遙控器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn) 飛行器的起飛、降落及飛行姿態(tài) 和位置 的調(diào)整 。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。 因此利用加速度 檢測(cè)傳感器 和陀螺儀 檢測(cè)傳感器 的組合可以 檢測(cè) 和輸出 四旋翼 飛行器的 方位 、 速度 和引力來(lái)感知飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 方案二： 飛行控制模塊。 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。 其 優(yōu)點(diǎn) 是 利 于裝配，使用 方便 ，受 可見(jiàn)光 干擾 小 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 15 圖 33 中 前F 、 后F 、 左F 、 右F 分別代表前后左右四個(gè)旋翼的升力； 前M 、 后M 、 左M 、右M 分別代表前后左右四個(gè)旋翼的力矩。原理如圖 37示。 5. 2 軟件開(kāi)發(fā)工具 簡(jiǎn)介 源程序的編寫(xiě)、編譯和鏈接都是在 Keil MDKARM 軟 件下進(jìn)行的，并最后生成可執(zhí)行文件。 //初始化模擬 I2C PWM_IN_Init()。將式 （ 51）離散化得： ????= ??? 177。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過(guò) 直角 彎道時(shí)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(cè)到距地面高度的距離偏差有多大調(diào)整四個(gè)無(wú)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(guò)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(hào) ，下