【文章內(nèi)容簡介】 饋； (6) 四旋翼飛行器 PID 參 數(shù)調(diào)整； (7) 遙控器控制信號的發(fā)送和接收。 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。 小結(jié) 本章首先 介紹 課題的選題背景，之后介紹了國內(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 及研究的重點內(nèi)容。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 5 2 系統(tǒng) 總體設(shè)計 方案 本設(shè)計主要采用 ST公司生產(chǎn)的 STM32F407作為系統(tǒng)的主處理器。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(jī) 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(jìn)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 。 本系統(tǒng)主要由 主 控制 器 模塊、 無刷電機(jī) 驅(qū)動 模塊、 電源 模塊、 攝像頭 模塊 、 姿態(tài)測量 模塊 等 五 部分組成 ，下面分別論證這幾個模塊的選擇。 飛行控制系統(tǒng)方框圖如圖 21所示： 圖 21 飛行控制系統(tǒng)方框圖 2. 1 驅(qū)動模塊 的論證與選擇 四旋翼飛行器電機(jī)選型 方案 一 ： 采用普通直流電機(jī) 。 普通直流電機(jī)有 操作 簡單 、 成本 低 、質(zhì)量小 等優(yōu)點，但 其 輸出 扭 矩 較小，可 控 性 能 差， 四旋翼 飛行器 要求控制精度高， 響應(yīng) 速度快，且 重 量要 輕 ，所以 普通 直流電機(jī) 無法 滿足要求。 方案二： 采用新西達(dá) 公司生產(chǎn)的 A2212/13T1000KV無刷 直流 電 動 機(jī) 。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 。 它 克服 了普通 直流 電機(jī)的扭矩小的缺 點 ， 滿足 系統(tǒng)精度控制要求及負(fù)載要求。 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 。 電機(jī) 驅(qū)動電路 電機(jī)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是跟流過電機(jī)的電流有關(guān)，即跟加在兩端的電壓有關(guān)。但是單片機(jī)并不能輸出可調(diào)的直流電壓，而是用脈寬調(diào)制（ PWM） 方式來控制電機(jī)的輸入電壓。通過控制 PWM 調(diào)節(jié)占空比， 實現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 的效果 ， PWM 占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。 脈沖寬度調(diào)制 PWM 調(diào)速 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域 [19]。 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(jìn)行數(shù)字控制 的方法。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式 ，利用 高分辨率計數(shù)器 改變 方波的占空比被調(diào)制用來對一個 模擬信號的 具體電平編碼。 但 PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的 所有時刻， 全 幅值的直流供電不是 完全 導(dǎo)通 ， 就是 完全 截止，不存在第三種狀態(tài) 。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。導(dǎo) 通時 直流供電 完全 被加到 模擬 負(fù)載上 ， 截止 時是供電 完全 被斷開的時候。只要 數(shù)值 帶寬足夠 寬 ， 所有的 模擬 電流 都可以 使用 PWM模擬 。 PWM調(diào)速 的 優(yōu)點 如下 ： 1)由于 PWM的開關(guān)頻率 很 高，只要 通過 電樞電感濾波就 可以 得到 波 動 比較 小的直流電流， 可以 調(diào)速 的 范圍大， 理論上 可達(dá)到 1:10000左右； 2)響應(yīng)性能 的 快速 行十分 好， 抵 抗 動態(tài)干擾能力強(qiáng)； 3)由于器件僅工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 根據(jù)以上優(yōu)點，以及本設(shè)計中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用了 PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。 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(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)。傳感器用來感知 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) 。 因為 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 7 十分 重要。 加速度 檢測 傳感器是可以 檢測加速力 變化 的電子 器件 。加速度 檢測 傳感器的工作原理： 檢測 元件將測點的加速度 變化 信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電 壓 信號，進(jìn)入 信號調(diào)理 電路，經(jīng)過信號 放大 電路改善信號的信噪比，再進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后 將數(shù)字信號傳遞給 單片機(jī)，單片機(jī) 對 數(shù)據(jù) 進(jìn)行數(shù)字濾波 處理。加速度 檢測 傳感器用于 檢測 機(jī)身相對于水平面的 側(cè)傾 角度。 在 四旋翼飛行器起飛的瞬間，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速本身的 質(zhì) 量和轉(zhuǎn)速誤差，加速度 檢測傳感器 無法感知飛行器本身的受力情況。 根據(jù)牛頓第二定律， 要 想通過加速度檢測傳感器 獲得準(zhǔn)確的 四旋翼飛行器側(cè)傾 角度和 飛行姿態(tài) ，加速度 檢測 傳感器就需要在靜止或者勻速 運動 的情況下進(jìn)行測量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運動的，所以無法 使用加速度檢測傳感器測量的數(shù)據(jù) 來 控制 四旋翼飛行器。陀螺儀 檢測 傳感器能感知物體的運 動 變化。四旋翼飛行器的 飛行控制 器通過讀取 陀螺儀 檢測 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 。 因為在測量過程中 陀螺儀檢測傳感器 受到 溫 度變化 的影響，導(dǎo)致測得的姿態(tài)信息并不 十分 精確 ， 對測得的數(shù)據(jù)經(jīng)行再次的濾波就顯得尤為重要。 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)。綜合 考慮 性能 、體積、重量和 成本 等因素，本設(shè)計選 擇 MPU6050陀螺儀 加速度 計，其 具體的 電路連接圖如圖 22所示。 圖 22 MPU6050 傳感器電路連接圖 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 8 MPU6050是 世界第一例 9軸運動處理傳感器。它集成了 3軸 微機(jī)電 陀螺儀， 3軸 微機(jī)電 加速度計，以及可擴(kuò)展的數(shù)字處理器 DMP（ Digital Motion Processor） ，可用 I2C接口連接磁力計。擴(kuò)展之后就可以通過其 I2C接口輸出一個 9軸 變化 的 數(shù)字 信號。 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]。 MPU6050與 其他處理器 之間的通信采用 400kHz的 I2C接口。對于需要高速傳輸?shù)?系統(tǒng) ，對 數(shù)據(jù) 的讀取和中斷可用 20MHz的 SPI。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 。 2. 2 電源 模塊的論證與選擇 系統(tǒng)采用 2200mA動力鋰電池作為供電電源，電壓為 12V左右，可直接供給電調(diào)使用，其中電機(jī)由電調(diào)直接驅(qū)動，而攝像頭工作電壓 和 Freescale Kinites60單片機(jī) 為 ， 超聲波模塊的工作電壓 5V，需要通過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行一次電壓轉(zhuǎn)換為其供電。 方 案 一： 通過電調(diào)產(chǎn)生 5V電壓供給超聲波模塊使用，由于攝像頭的工作電流不是很大，直接采用 5V電壓 轉(zhuǎn)換成 和 Freescale Kinites60單片機(jī) 使用， 這個 方案電路 十分 簡單，使用元件少，且 工作 十分穩(wěn)定。 方案二：采用 LM7805三端穩(wěn)壓器將電源電壓降到 5V供超聲波模塊使用，再通過AMS1117穩(wěn)壓芯片將 5V電壓轉(zhuǎn)換成 Freescale Kinites60單片機(jī) 。電路內(nèi)部有 過熱 、 過 電 流 及調(diào)整管的保護(hù)電路，但在實際應(yīng)用中，穩(wěn)壓管溫度 上升 過高時，其工作的 穩(wěn)壓性能將變差，甚至 燒毀 。 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 。 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。匿名科創(chuàng) ANOTC的領(lǐng)航 者飛控模塊 能 提供完全開源的飛控工程源 代 碼，飛行效果好 ， 方便 調(diào)試及后期增加功能 。 方案二： 飛行控制模塊。其有優(yōu)點是調(diào)試簡單，有自穩(wěn)功能，缺點是不能定高，不能姿態(tài)控制，沒有開源的飛控工程源碼 ，對后續(xù)調(diào)試，增加功能影響很大，不利于 本畢業(yè)設(shè)計的制作 。 綜合 考慮 以上 的 兩 種 不同 方案，選擇方案 一 更為合理 。 2. 4 攝像頭模塊 的論證與選擇 攝像頭是基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器系統(tǒng)信息提取關(guān)鍵，其輸出信息的好壞將決定著四旋翼飛行器轉(zhuǎn)向性能。因此攝像頭的選取必須慎重，既要保證圖像質(zhì)量好，滿足后續(xù)處理和軌跡識別的要求，又要考慮到單片機(jī)采集和處理的能力?；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。 CCD 模擬基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 9 攝像頭和 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭，其優(yōu)缺點如表 2表 22 所示： 表 21 CCD 模擬攝像頭的優(yōu)缺點 優(yōu)點 缺點 1)靈敏度高，適于高速運行； 2)噪點低。 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 優(yōu)點 缺 點 1)體積小，重量輕，功耗低 ； 2)內(nèi)部集成 A/D，電路要求簡 單，方便系統(tǒng)小型化； 3)平均成本低 ,便于推廣。 1)靈敏度低， 不適于高速運行； 2)噪點高。 通過比較，發(fā)現(xiàn) CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭相比于 CCD 模擬攝像頭，有著供電電路簡單，體積小巧 、 質(zhì)量輕 、 功耗低 等諸多方面的優(yōu)勢。同時，我們發(fā)現(xiàn) CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭提供了 PCLK 信號，這樣我們便可以利用 Freescale Kinites60 單 片機(jī)自帶的 DMA 模塊進(jìn)行DMA 采集。使用 DMA 可以節(jié)省單片機(jī) 硬件 資源，讓單片機(jī)可以在同一時間里 做更多不同的 事情 ， 這樣 便 提高 了單片機(jī)的工作效率。而 CCD 模擬攝像頭未能提供 PCLK 信號，同時為了得到數(shù)字灰度值，我們需要對 CCD 輸出的模擬信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，增加了電路的復(fù)雜度。 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。選用型號是 OV7725 數(shù)字 CMOS 攝像頭。 OV7725 是一個集成模塊，是 1/3CMOS 彩色 /黑白圖像傳感器， VGA 和 QVGA 是 兩種不同的 圖像格式；最高 輸出 像素為 664*492，幀速率為 50fps；數(shù)據(jù) 處理 格式包括 YCrCb， YUV， RGB 三種。 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。能夠滿足基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器 對路徑檢測 的要求。 OV7725 是按 指 定的分辨率，以 換 行掃描的方 法 采集 信息 ，當(dāng)掃描到某點時， 再 通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度 相對應(yīng) 數(shù)字信號，最后通過 8 位的輸出口輸出。配合 OV7725 的工作時序，通過單片機(jī)適時的對這 8 位端口進(jìn)行采集，便可得到期望的圖像點的灰度值。 OV7725 的 SCCB基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 10 控制時序圖如圖 23 所示。 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(jìn)行了配置，需要對該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。 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，能盡可能少的響應(yīng)沒有必要的行場中斷，增強(qiáng)了單片機(jī)的處理效率 。 二 、 將攝像頭的對比度設(shè)置成了最高，高對比度可以使軌跡信息的與白色的地面更清晰的區(qū)別開來，方便后續(xù)圖像處理 。 三 、 根據(jù)實際的圖像顯示效果，適時合適的更改