【導讀】底的黑色引導線。本系統(tǒng)采用模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計的方法，包括飛行控制模塊、驅(qū)動模塊、中心，將各個模塊有效配合形成整體。息傳遞給飛行控制模塊，從而調(diào)整飛行姿態(tài)，實現(xiàn)設(shè)計要求。循跡模塊和超聲波模塊與。動四個無刷電機完成自主穩(wěn)定飛行。

　　

【正文】 動 模 塊無 刷 電 機 電 子調(diào) 速 器2 2 0 0 毫 安 動 力鋰 電 池2 2 0 0 毫 安 動 力鋰 電 池S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊 H C S R 0 4超 聲 波 測 距 模塊 H C S R 0 4超 聲 波 測 距 模塊F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0 處 理 器 的 最 小 系 統(tǒng) 板F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0 處 理 器 的 最 小 系 統(tǒng) 板循 跡 模 塊 C M O S 攝 像 頭 循 跡A S M 1 1 1 7 3 . 3 圖 41 系統(tǒng)總體框圖 4. 2 電機驅(qū)動 模塊 電機驅(qū)動模塊主要由 STM32 飛行控制模塊產(chǎn)生 PWM 波來控制，通過調(diào)節(jié)占空比的方式來控制無刷電機的轉(zhuǎn)速， 電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 如圖 42 所示 。 圖 42 電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 P W MP W M電 調(diào)電 調(diào)電 機電 機電 源電 源S T M 3 2 飛 行控 制 模 塊基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 20 4. 3 電源模塊 電源子系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)中有飛 行 控 制 模塊、電調(diào)、攝像頭 模塊 、超聲波模塊 、無線通訊模塊 需要供電，其框圖如圖 43 所示 。 電 源 1 2 V電 源 1 2 V攝 像 頭 3 . 3 V攝 像 頭 3 . 3 V電 調(diào)電 調(diào)S T M 3 2 飛 行 控制 模 塊S T M 3 2 飛 行 控制 模 塊超 聲 波 模 塊3 . 3 V 穩(wěn) 壓 電 路無 線 通 訊 模 塊 圖 43 電源子系統(tǒng)框圖 穩(wěn)壓電路圖 AMS1117 穩(wěn)壓電路圖， 其中輸入電壓為 5V，輸出電壓為 ,使用 LED 燈作為電源指示燈，使用 10uF 的電解電容和 的陶瓷電容濾波。電路原理圖 如圖 44 所示 。 圖 44 AMS1117 穩(wěn)壓電路圖 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖，如圖 45 所示 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 21 圖 45 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖 4. 4 小結(jié) 本章 首先簡述了系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計，接著講述了電機驅(qū)動模塊 、 電源模塊的設(shè)計。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 22 5 系統(tǒng)設(shè)計軟件部分設(shè)計 5. 1 程序設(shè)計 總論 系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使用 Keil MDKARM 開發(fā)環(huán)境， 使得系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便?；境绦蚰K有超聲波測距模塊、電機控制程序、攝像頭 采集圖像處理 程序、無線通訊 程序等，各個模塊能夠獨立地實現(xiàn)各部分功能。 5. 2 軟件開發(fā)工具 簡介 源程序的編寫、編譯和鏈接都是在 Keil MDKARM 軟 件下進行的，并最后生成可執(zhí)行文件。 Keil MDKARM（舊稱 RealView MDK）開發(fā)工具源自德國 Keil公司，被全球上百萬的嵌入式開發(fā)工程師驗證和使用，是 ARM 公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。 KEIL MDK 集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括 uVision uVision uVision5 集成開發(fā)環(huán)境與 ARM 編譯器。支持 ARM ARM CortexM0、 CortexM0+、 CortexMCortexM CortexR4 內(nèi)核核處理器。 Keil MDK 可以自動配置啟動代碼，集成 Flash 燒寫模塊，強大的 Simulation 設(shè)備模擬，性能分析等功能，與 ARM 之前的工具包 ADS 等相比， ARM 編譯器的最新版本可將性能改善超過 20％以上。 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。 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。這種分層的結(jié)構(gòu)使得對 MDK5 的更新和維護更簡單，對我們開發(fā)來說效率也提高不少，因為它提供了很大軟件 包供我們調(diào)用。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 23 圖 51 MDK5 開發(fā)環(huán)境主界面 5. 3 程序流程圖 主程序流程圖 下圖 52 為 主程序流程圖， 程序啟動后進行各部分模塊的初始化，對 IO 引腳經(jīng)行配置，初始化完成后，傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正常后，四旋翼飛行器開始起飛，起飛過程中由 STM32 控制超聲波模塊檢測離地面高度，到達一定高度（可以人為設(shè)定）后，停止上升，飛行器保持相應(yīng)的高度飛行 。同時 Freescale Kinites60 單片機控制 攝像頭模塊開始采集圖像信息，將采集到的圖像經(jīng)過處理分析，實時計算出飛行器飛行的路徑信息，并把路徑信息傳輸給 STM32 構(gòu)成的飛行控制模塊，飛行控制模塊控制四旋翼飛行器的姿態(tài)以及飛行方向，以實現(xiàn)四旋翼飛行器的循跡飛行。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 24 圖 52 主程序流程圖 超聲波模塊子程序流程圖 如圖 52 為超聲波模塊子程序流程圖 ， 超聲波模塊主要是用定時器檢測超聲波模塊發(fā)出的波形 ， 再檢測收到的波形的時間 ， 再通過計算 ， 算出距離 。 開 始開 始初 始 化 定時 器初 始 化 定時 器啟 動 定 時T 0啟 動 定 時T 0發(fā) 射 超 聲 波發(fā) 射 超 聲 波延 時2 . 3 8 m s延 時2 . 3 8 m s開 中 斷 開 始接 收開 中 斷 開 始接 收是 否 收 到 回 聲是 否 收 到 回 聲關(guān) 閉 定 時 器關(guān) 閉 定 時 器是讀 取 所 記 數(shù) 值讀 取 所 記 數(shù) 值 圖 52 超聲波模塊子程序流程圖 開 始開 始各 模 塊 初 始 化各 模 塊 初 始 化飛 行 器 上 升飛 行 器 上 升超 聲 波 測 高超 聲 波 測 高 h = 3 0 c m h = 3 0 c m圖 像 采 集圖 像 采 集 圖 像 識 別 與 分 析 圖 像 識 別 與 分 析F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0單 片 機 F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0單 片 機 飛 行 控 制 模 塊飛 行 控 制 模 塊N OY E S飛 行 器定 高 飛 行飛 行 器定 高 飛 行飛 行 器循 跡 飛 行飛 行 器循 跡 飛 行基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 25 攝像頭模塊 程序流程圖 如圖 53 所示為攝像頭模塊程序流程圖 。主要的流程為 SCCB 協(xié)議初始化、采集圖像信息、圖像信息二值化、計算路徑信息和把路徑信息傳送給控制模塊。 圖 53 攝像頭模塊程序流程圖 5. 4 各模塊 初始化 各模塊初始化包括軟件 初始化 和硬件初始化 ， 具體如下： NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_GROUP)。 //中斷優(yōu)先級組別設(shè)置 SysTick_Configuration()。 //滴答時鐘 I2c_Soft_Init()。 //初始化模擬 I2C PWM_IN_Init()。 //初始化接收機采集功能 PWM_Out_Init(400)。 //初始化電調(diào)輸出功能 Delay_ms(400)。 //延時 MPU6050_Init(20)。 //加速度計 、 陀螺儀初始化 ， 配置 20Hz 低通 LED_Init()。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 //參數(shù)初始化 Delay_ms(100)。 //延時 Ultrasonic_Init()。 //超聲波初始化 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 26 if(SCCB_Init(I2C0_SCL_PB00_SDA_PB01)) //攝像頭 OV7725 初始化 { while(1)。 } DMA_Init(amp。DMA_InitStruct1)。 //DMA 初始化 5. 5 算法設(shè)計 四旋翼飛行器能否 按照指定的路線 飛 完全程除了穩(wěn)定的硬件設(shè)計外，還在于控制程序的算法是否準確而合理。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過 直角 彎道時能否根據(jù) 進行飛行方向 的轉(zhuǎn)變， 高度 控制在于 超聲波模塊檢測到距地面高度的距離偏差有多大調(diào)整四個無刷 電機旋轉(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 ，下面逐一分析。 PID 算法 PID 算法簡介： PID 算法是自動控制領(lǐng)域和和自動化生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最廣泛的控制方法，其原理如圖 54 所示： ??(τ) ??(τ) ??(τ) ??(τ) — 圖 54 PID 算法 原理圖 誤差 ??(τ)代表理想輸入和實際輸入的差值將這個誤差信號送給控制器，控制器通過計算處理得出誤差信號的積分值和微分值，將這些值與某些信號進行整合比較，得到輸出值，用公式表達如下： ??(??) = K?? [??(τ)+ 1????∫ ??(τ)???? +??????0 ????(t)?? ] （ 51） 上式中， K??為比例系數(shù) , K??為積分時間常數(shù)， ????為微分時間常數(shù)。 ??(τ)為控制量；??(τ)為被控量與設(shè)定值 ??(τ)的偏差。此式是時域表達式，而單片機智能處理數(shù)字信號，即數(shù)字 PID 控制。將式 （ 51）離散化得： ????= ??? 177。 ??2 ? 4????2?? ???? ???? controller 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 27 ??(??) = ????[e(n)+ ??????∑ ??(??)+ ????????=0 ??(n)???(???1)?? ] （ 52） 控制器將輸出量 ??(??)反饋到輸入，與輸入再一次進行比較，得到新的輸入，這樣無限循環(huán)，得到最佳控制效果。比例環(huán)節(jié)的主要作用是 :K?? 的值增大時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)的幅值增加。當達到某個 K??值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。 方向控制算法 方向控制采用 PID 位置式算法，即直接利用式 (52)計算，積分項（ Pi）是將所有采集值偏差相加。 具體程序如下所示： void DirectionContorl(void) { float Kp, Kd。 Delat = inductance_