【文章內(nèi)容簡介】 F450 四旋翼飛行器系統(tǒng)架構 本文使用四旋翼飛行器為平臺，搭載溫濕度采集系統(tǒng)，用來更方便地動態(tài)測量整個被測量空間的溫濕度數(shù)值。 F450 四旋翼飛行器的基本結構對于經(jīng)典的四旋翼飛行器，旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，對角的兩個旋翼的旋轉方向必須一致，處于鄰角位置的兩個旋翼的旋轉方向必須相反（其原因將在23中詳細介紹）。四個電機對稱地安裝在飛行器的支架端，支架中間的空間安放飛行控制器和外部設備。結構形式如圖21所示。圖 21 F450 四旋翼飛行器結構框圖相比較傳統(tǒng)直升機而言，F(xiàn)450四旋翼飛行器大大簡化了整體機械構造，加強了用戶實際操作性能，具有響應快、效率高、速度快等特色，保證F450四軸飛行器實現(xiàn)垂. . . .直升降、空中懸停、倒飛等固定翼飛行器所無法實現(xiàn)的功能。常用于各類航拍項目如高壓電線檢測、電視節(jié)目拍攝等。圖22為四旋翼飛行器的遙控器和無線數(shù)傳。圖 22 遙控器與無線數(shù)傳 F450 四旋翼飛行器的工作原理 四旋翼飛行器通過控制四個電機的旋轉速度來改變旋翼（螺旋槳）的旋轉速度，實現(xiàn)四個旋翼升力的不同變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機，但由于該飛行器以四個輸入力，控制著六個狀態(tài)輸出，所以它又屬于欠驅動系統(tǒng)類型。 四旋翼飛行器的電機1和電機3逆時針旋轉的同時，電機2和電機4順時針旋轉，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。在圖21中，電機1和電機3作逆時針旋轉，電機2和電機4作順時針旋轉，規(guī)定沿 x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉速提高，在下方表示此電機轉速下降。 （1）垂直運動：同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。 （2）俯仰運動：在圖23（b）中，電機1的轉速上升，電機3 的轉速下降（改變. . . .量大小應相等），電機電機4的轉速保持不變。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉，同理，當電機1的轉速下降，電機3的轉速上升，機身便繞y軸向另一個方向旋轉，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。 （3）滾轉運動：與圖23（b）的原理相同，在圖23（c）中，改變電機2和電機4的轉速，保持電機1和電機3的轉速不變，則可使機身繞x軸旋轉（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉運動。 （4）偏航運動：旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉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，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。在圖23（d）中，當電機1和電機3的轉速上升，電機2和電機4的轉速下降時，旋翼1和旋翼3對機身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉向與電機電機3的轉向相反。 圖 23 四旋翼飛行器眼各自由度的運動. . . . F450 四旋翼飛行器的搭建與調(diào)試因多旋翼飛行器構造簡單，相對直升機調(diào)試容易，對飛手基礎知識要求大大降低，導致近年航模在拍攝領域的流行。與此同時，因為飛行門檻降低，很多不具備足夠經(jīng)驗的新手在安裝多旋翼飛行器過程中缺乏相關知識，摔機事故頻發(fā)。某些調(diào)試盲點甚至是已入模多年的模友也難以避免。通常，在組裝調(diào)試四旋翼無人機的過程中應注意以下幾點。首先，螺旋槳要采用正反槳的方式。這主要是由于四旋翼飛行器需要安裝4個旋翼，在組裝過程中，處于對角的兩個旋翼的旋轉方向必須一致，處于鄰角位置的兩個旋翼的旋轉方向必須相反，這樣可以保證F450四旋翼飛行器實現(xiàn)垂直升降、空中懸停、倒飛等固定翼飛行器所無法實現(xiàn)的功能。其次是電調(diào)，電調(diào)充當了變壓器的作用，供電。電調(diào)的品牌有好盈、銀燕、新西達、中特威等，電調(diào)的做工精確度對飛行有重要影響。然后是電池，一塊電池飛行時間大概1015分鐘（懸停省電，做動作會耗電），屬于易耗品。選好所有配件安裝完成后（如表21四旋翼飛行器配件），飛控接上電也并不是馬上可以起飛的，通常需要解鎖，這是出于安全考慮的特殊設計。通上電，飛控板上的燈處于關閉狀態(tài)，可以聽到電調(diào)發(fā)出的滴滴聲，這時將油門打到最低（注意油門方向，需要實現(xiàn)確定是設置的向上為最低，還是向下為最低），然后方向舵向右扳到底，飛控板的燈就會亮，電調(diào)也不會再繼續(xù)發(fā)聲，說明飛行器已準備好起飛。表 21 四旋翼飛行器配件配件名稱 型號 數(shù)量機架 DJI 風火輪 F450 機架 1電調(diào) 好盈 Hobby 鉑金 Platinum 30A 4機架高腳架 Dji 風火輪 F450 機架原裝腳架 6電機 Sunnysky X2212 KV980 4T 插頭 公母 防滑 T 插 10. . . .鋰電池 格式 ACE 2200mAh 3S 25C 2PIXHAWK 飛控 PIXHAWK 飛控套餐五 1正反螺旋槳 APC 1047 4我們在搭建過程中遇到如下幾個問題，針對各個問題查找資料，分別找到了相應的解決方案。第一個遇到的問題是F450四軸飛行器通過USB數(shù)據(jù)線連接地面站后，GPS無法正常定位。其解決方案是發(fā)現(xiàn)學校室內(nèi)信號較差，拿到空曠的露天場地后完美解決；第二個問題是F450組裝完成后在進行陀螺儀校準時，無法校準成功。其解決方案是由于PixHawk飛控內(nèi)置有GPS，所以進行校準時，可以只選一個GPS，本次課題設計中，我們選用外接GPS模塊；第三個問題是F450四軸飛行器解鎖后起飛時立即倒向一邊，無法正常起飛。我們發(fā)現(xiàn)這是由于固件版本不能完美兼容造成的。其解決方案是給PixHawk飛控重新載入最新的固件，從而解決該問題。圖24 四旋翼無人機搭建過程 F450 實地試飛在實際試飛前，將指南針、陀螺儀進行校準，敏感度調(diào)整、電調(diào)參數(shù)、遙控器一并設置好，先在電腦上進行軟件模擬試飛（防止第一次實際試飛出錯），熟悉遙控器操作后選擇一個空曠地（本次測試在浙工大向日葵花地）進行實地試飛，輕推油門，. . . .F450 四旋翼飛行器平穩(wěn)起飛，并依據(jù)遙控器指令完成懸停、定高飛行、升高飛行等操作，并拍下視頻，基本完成課題要求。圖 25 為四旋翼飛行器定點懸停，圖 26 為F450 飛行器靜態(tài)圖。 圖 25 450 實地試飛定高懸停圖 26 450 實地試飛靜態(tài)圖. . . . 本章總結本章節(jié)介紹了 F450 四軸飛行器的基本結構和工作原理，完成了搭建與調(diào)試四旋翼飛行器，通過遇到問題、解決問題的方式，加強了自身對四旋翼飛行器具體運作的認識，積累了實際經(jīng)驗，增加了動手能力。. . . .第 3 章 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設計 溫濕度采集系統(tǒng)的各部分硬件選取該溫濕度采集系統(tǒng)既可以使用電池供電，也可以使用固定電源供電，例如在使用USB 接口的情況下可以由電腦供電也可使用手機充電器或是移動電源供電。本無線溫濕度采集系統(tǒng)選用了 STC89C51 單片機、HC05 主從機一體藍牙模塊、DTH11 溫濕度傳感器、LCM1602 液晶顯示屏 4 個主要元器件。這 4 個元器件屬于低功耗器件，這樣的選取保證了溫濕度采集系統(tǒng)在工作時采集到的數(shù)據(jù)更加精確標準，降低了電池的消耗使四旋翼飛行器的續(xù)航能力更久，同時減小了整個系統(tǒng)的體積，使其更易安裝在四旋翼飛行器上便于飛行器攜帶，這樣的硬件選取在降低成本的同時提高了性價比 [18]。 STC89C51 單片機STC89C51 單片機屬于 STC 系列單片機，是美國 STC 公司所推出的新型以 51 為內(nèi)核的單片機。該單片機采用了 8051 核的 ISP（In System Programming）系統(tǒng)可編程芯片，該芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)可編程（ISP）特性，通過配合 PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。該單片機內(nèi)還包含了 FLASH 存儲器、UART、SRAM、A\D、SPI、PWM 等模塊。并且該器件單片機的基本功能和其它型號的 51單片機完全兼容。它最高工作的時鐘頻率為 80MHz，片內(nèi)含有 8K Bytes 的可以反復擦寫 1000 多次的 Flash 只讀程序存儲器，這給編程和調(diào)試帶來極大的便利。STC89C51RC系列單片機不僅是單時鐘機器周期(1T)的兼容 8051 內(nèi)核單片機，還是高速低功耗的新一代 8051 單片機，全新的流水線精簡指令集結構，而且內(nèi)部集成了 MAX810 專用復位電路。STC89C51 引腳圖如圖 。STC89C51 單片機微控制器系列還具有以下性能特點：無需專用的編輯器即可通過串口()用 STC 提供的 軟件進行燒錄；增強型的 STC89C 系列單片機在進行 ISP 燒錄程序時，可以設置為 6 時鐘/機器周期(雙倍速)或 12 時鐘/機器周期工作模式，而且通過設置 6 時鐘/機器周期（雙倍速），可以將外接晶振頻率降低一半，能有效降低對外部電磁輻射（EMI）；STC89C 系列單片機中的 RC 系列單片機在原. . . .有 8052 共 256 字節(jié) RAM 的基礎上，又擴展了 256 字節(jié) RAM，共有 512 字節(jié)RAM(000H～1FFH)；目前，STC89C51/52/53RC 報價分別為 ，STC89C54/58/516RD+報價 11/15/17 元，STC89LE54/58/516AD 報價分別為 11/元。與市面上類似的芯片相比，有較高的性價比。圖 31 STC89C51 引腳圖初次學習 89c51 單片機時總結的編程注意事項：每次編程時，最好建立單獨的文件夾，便于管理和以后運用。步奏為：第一步打開 keil 軟件，點擊 new project 彈出對話框，寫上文件名，點擊保存，彈出另一對話框選中 atmel 中 at89c51 點擊 OK 然后點擊 yes；第二步點擊 new file 然后保存（點 save）在彈出對話框中文件名寫上 然后保存；第三步在 project 中 target 的 source group 點擊鼠標反鍵點擊 add 選中上面保存的文件添加，然后可以編程了；第四步編程完成后，編譯運行，無錯誤后點擊 target options 在 output 下選中 creat hex file，然后點 OK，再點擊rebuild，生成 hex 文件。. . . .圖 32 STC89C51 單片機實物 HC05 主從機一體藍牙模塊HC05 主從機一體藍牙模塊類型屬于串口發(fā)送接收模塊類型。最大的優(yōu)點就是它的高性能，只要是帶藍牙功能的智能終端，例如電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP 等，都可以與其進行配對。該模塊兼容 5V 或 的電壓，因此非常適合與單片機系統(tǒng)的配對，可以很方便與本文設計的溫濕度采集系統(tǒng)進行連接，使用起來非常靈活、方便。在空曠地中使用距離為 10 米，工作電壓為 ~5V 之間。ATKHC05 藍牙模塊與單片機系統(tǒng)的典型連接方式如圖 33 所示：圖 33 ATKHC05 模塊與單片機系統(tǒng)連接示意圖圖中實線表示必須連接，虛線則表示可連可不連，這個可以根據(jù)具體的需要選擇性使用即可。其中圖 33 中的 RXD、TXD 是 Receive Data ，Transmit Data 的意思， RXD 為接收數(shù)據(jù)的引腳，一般表示為自己的發(fā)送端，正常通信必須接另一個設備的RXD。TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)的引腳，一般表示為自己的接收端，正常通信必須接另一個設備的 TXD。正常通信時本身的 TXD 應該連接設備的 RXD。自收自發(fā)：正常通信時 RXD 應該接其他設備的 TXD，因此如果要接收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)顧名思義，也就是自己接收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，即自身的 TXD 直接連接到 RXD，用來測試本身的發(fā)送和接收是否正常，是最快最簡單的測試方法，當出現(xiàn)問題時首先做該測試確定是否產(chǎn)品故障，也稱回環(huán). . . .測試。RXD、TXD 屬于 DTE 設備，DTE 是指數(shù)據(jù)終端設備，典型的 DTE 就是計算機和單片機。RS232 串口標準中的 RXD 和 TXD 都是站在 DTE 立場上的串口通信，使用串口通信