全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽省一獲獎(jiǎng)?wù)撐?四旋翼自主飛行器(編輯修改稿)
2025-11-13 05:00 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 與實(shí)現(xiàn) 四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)需保證均勻性、對(duì)稱(chēng)性和穩(wěn)定性。均勻性要求材料的質(zhì)地要均勻，對(duì)稱(chēng)性要保證機(jī)械架構(gòu)三維生的對(duì)稱(chēng)性，穩(wěn)定性要求機(jī)械器件連接牢固 并且在起飛和著陸時(shí)機(jī)架有抗擊能力。 機(jī)身支架的材料使用硬質(zhì)塑料，身 機(jī)為 450450? mm方形框架 ， 旋翼直徑 10mm， 厚度 。 其硬件組成如圖 1所示 , 主要包6 括角速率陀螺、加速度計(jì)、超聲波傳感器、微處理器、舵機(jī)控制接口、有效任務(wù)載荷接口以及電源等。 圖 2 為 飛行控制系統(tǒng)硬件框圖 。 角 速 度 陀 螺雙 軸 加 速 度 器I I C 口瑞 薩 板四路P WM信號(hào)C A M E R AI I C 口攝 像 頭超 聲 波 測(cè) 距無(wú)刷電調(diào)M 1M 2M 3M 4 圖 2 飛行控制系統(tǒng)硬件框圖 陀螺儀和加速度傳感器 陀螺儀 主要 用于 飛行器保持平衡 。 陀螺儀 的測(cè)量物理量是偏轉(zhuǎn)、傾斜時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。陀螺儀實(shí)際上等效于三個(gè)角度傳感器，內(nèi)部通過(guò) MEMS 工藝做出了一個(gè)參考坐標(biāo)系，當(dāng)芯片的坐標(biāo)相對(duì)參考坐標(biāo)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，芯片會(huì)讀出這個(gè)差異。因此，測(cè)量 XYZ 軸線(xiàn)的傾角變得可以實(shí)現(xiàn)。 利用陀螺效應(yīng)，感知你陀螺儀中陀螺的相對(duì)方向，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理與初始狀態(tài)比較感知陀螺的方向。這就讓他可以對(duì)飛機(jī)等的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行感知，如有偏航可以立刻對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令進(jìn)行修正。 加速度傳感器 是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備 ，很多情況下都是和陀螺儀搭配用的。 加速力也就是當(dāng)物體在加速過(guò)程中作用在物體上的力。 加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量（也稱(chēng)敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。 當(dāng)儀表殼體沿輸入軸作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量因慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電信號(hào)，經(jīng)放大后饋送到力矩器構(gòu)成閉環(huán)。力矩器產(chǎn) 生的反饋力矩與檢測(cè)質(zhì)量所受到的慣性力矩相平衡。輸送到力矩器中的電信號(hào)（電流的大小或單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)）就被用來(lái)度量加速度的大小和方向。 加速度傳感器 測(cè)量運(yùn)載體線(xiàn)加速度的儀表 ， 在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計(jì)是重要的動(dòng)態(tài)特性校正元件。 圖 4為加速度計(jì)示意圖。 圖 3 角速度變化與陀螺輸出的關(guān)系 7 圖 4 加速度計(jì)示意圖 控制系統(tǒng) 四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分 ， 飛行控制系統(tǒng)與無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 。 飛行控制系統(tǒng)通過(guò) IMU 慣性測(cè)量單元 （ 由陀螺傳感器與加速度傳感器組成 ）檢測(cè)飛行姿態(tài) 。 4 個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò) I2C 總線(xiàn)與飛行控制器通信 ， 通過(guò)改變 4 個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變飛行姿態(tài) ， 系統(tǒng)采用 12 V 電池供電 。 飛行器控制器要能夠通過(guò)采集處理微型 MEMS慣性器件和三維地磁傳感器數(shù)據(jù)．計(jì)算飛行器的姿態(tài)角和航向角，并根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，結(jié)合相應(yīng)的控制律給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，控制飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變飛行器的姿態(tài)和位置等[1]。 飛行控制器的主要功能如下： 1)提供多個(gè)通信信道，使飛行器與陀螺儀、磁航向計(jì)、 高度計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)、地面測(cè)控系統(tǒng)通信； 2)提供足夠的存儲(chǔ)空間，以滿(mǎn)足復(fù)雜控制軟件的實(shí)現(xiàn)； 3)檢測(cè)飛行器的狀態(tài)量，包括高度、速度、航向、姿態(tài)等； 4)通過(guò) RS232串行接口與地面測(cè)控系統(tǒng)通訊，一方面獲取地面的控制信號(hào)．另一方面將飛行器的狀態(tài)信息回傳給地面； 5)飛行器能工作在手動(dòng)／自主的切換模式。 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的 特性 研制而成的傳感器。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。 若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為 40KHz 的壓電 陶瓷 片 (雙晶振子 )施加 40KHz 高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送 40KHz 頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播 (疏密程度可由控制電路調(diào)制 )，并傳給波接收器。接收器是利用 壓力傳感器 所采用的壓電效應(yīng)的 原理 ，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面8 為 “+ ” 極，另一面為 “ ” 極的 40KHz 正弦電壓。 圖 5 為超聲波傳感器的電路圖。 需要用超聲波傳感器來(lái)測(cè)距定高選擇的 工作頻率一般為 2325KHZ 及4045KHZ， 基本類(lèi)型 為 分離式反射型 ， 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 CI2 總線(xiàn)輸出高度信號(hào) 。 圖 5 超聲波傳感器電路圖 攝像頭 ov7620 OV7620 是 OmniV ision 公司生產(chǎn)的 CMOS 彩色圖像傳感器 , 其內(nèi)部集成了感光單元和 A/ D 轉(zhuǎn)換器件 , 并且提供了提供 8/ 16 位 CCIR60 CCIR65 6 等格式視頻數(shù)字信號(hào)接口。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式 。 最高像素為 664 @ 492 , 幀速率為 3 0 f/ s。 數(shù)據(jù)格式包括 YU V、 YCrCb、 RGB3 種 , OV 7620 內(nèi)置可編程功能寄存器并且設(shè)置有上電模式和 SCCB 編程模式。 OV 7620 的數(shù)字圖像輸出接口為 YcrCb 16 位 / 8 位可選模式和 RGB16 位 / 8 位可選模式兩種組態(tài) [ 2] 。YCrCb 即 Y UV ,主要用于優(yōu)化彩色視頻信號(hào)的傳輸。與 RGB 視頻信號(hào)傳輸相比 , 它最大的優(yōu)點(diǎn)在于只需占用極少的頻寬。其中 / Y0 表示明亮度 , 也就是灰階值 。 而 / U0 和 / V0 表示的則是色度 , 作用是描述影像色彩及飽和度 , 用于指定像素的顏色。采用 YU V 色彩空間的優(yōu)點(diǎn)是它的亮度信號(hào) Y 和色度信號(hào) U、 V 是分離的。如果只有 Y 信號(hào)分量而沒(méi)有 U、 V 分量 , 那么這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。視覺(jué)導(dǎo)航應(yīng)用中 , 圖像只有路面和引導(dǎo)線(xiàn)兩種顏色 , 因此只需對(duì)灰度信號(hào)進(jìn)行處理就可識(shí)別出路徑實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。因此在本文中主要討論在 32 0 @ 240 分辨率下處理 8 位 Y 信號(hào)分量 , 實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的方法。 OV7620 要實(shí)現(xiàn)輸出一幀完整的圖像 , 除了 8 位 Y 信號(hào)分量外還有 4 個(gè)同步信號(hào)配合實(shí)現(xiàn)視頻幀的輸出 , 他們分別是垂直同步信號(hào) VSYN C、奇數(shù)場(chǎng)同步信號(hào) FOOD、水平同步信號(hào) HSYNC 和像素同步信
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