【導讀】題目基于DSP的四旋翼無人飛行器設(shè)計

　　

【正文】 以實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當于軟件即硬件。現(xiàn)在的圖形化主要是上層的系 統(tǒng)，國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出圖形化的單片機編程系統(tǒng)（支持 32 位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴展的），不斷完善中。 基于 Labview上位機結(jié)構(gòu)介紹 利用 Labview 設(shè)計上位機軟件，在有限的時間里可以快速完成軟件設(shè)計，實現(xiàn)四旋翼無人飛行系統(tǒng)的上位機數(shù)據(jù)采集、遠端控制、波形顯示、重要數(shù)據(jù)顯示和姿態(tài) 3D 顯示等主要功能。 19 T C P / I P 通 信 數(shù) 據(jù) 解 碼波 形 顯 示 和 重 要 數(shù)據(jù) 顯 示飛 行 器 3 D 動 態(tài) 顯 示數(shù) 據(jù) 編 碼 控 制 按 鍵圖 33 上位機結(jié)構(gòu)框圖 Figure 33 The PC structure diagram 1） 基于 TCP/IP 協(xié)議通信 Transmission Control Protocol/Inter Protocol 的簡寫，中譯名為傳輸控制協(xié)議 /因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，是 Inter 最基本的協(xié)議、Inter 國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，由網(wǎng)絡(luò)層的 IP 協(xié)議和傳輸層的 TCP 協(xié)議組成。TCP/IP 定義了電子設(shè)備如何連入因特網(wǎng)，以及數(shù)據(jù)如何在它們之間傳輸?shù)臉藴省f(xié)議采用了 4層的層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的協(xié)議來完成自己的需求。通俗而言： TCP 負責發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一有問題就發(fā)出信號，要求重新傳輸，直到所有數(shù)據(jù)安全正確地傳輸?shù)侥?的地。而 IP 是給因特網(wǎng)的每一臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備規(guī)定一個地址。 TCP/IP 通信程序框圖： 圖 34 TCP/IP 程序框圖 Figure 34 TCP/IP Block diagram 2） 數(shù)據(jù)解碼 通過之前所寫的通信協(xié)議，按照此協(xié)議將通信數(shù)據(jù)中幀頭和幀尾找到，再通過一定的組合和拆分把有效的數(shù)據(jù)提取出來。為了編程方便舍棄了 G語言內(nèi)部復雜連線，采用 C 語言簡單的程序編程，即成為一個子 VI 方便調(diào)用。 數(shù)據(jù)解碼程序： 20 圖 35 數(shù)據(jù)解碼 Figure 35 The data decoding 3） 波形顯示和重要數(shù)據(jù)顯示 利 用波形顯示面板和 VI 將采集得到的數(shù)據(jù)進行解碼組合后得到有效數(shù)據(jù)，并將有效數(shù)據(jù)放入波形顯示控件和數(shù)據(jù)顯示控件中，使得波形顯示和重要數(shù)據(jù)顯示操作實行。 波形顯示和重要數(shù)據(jù)顯示程序： 圖 36 波形顯示和重要數(shù)據(jù)顯示 Figure 36 Waveform display and data display 4） 飛行器 3D 動態(tài)顯示 利用 Labview3D 圖形控件和采集得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將飛行器姿態(tài)通過 3D 形式表現(xiàn)出來。 飛行器 3D動態(tài)顯示程序： 21 圖 37 3D 姿態(tài)顯示 Figure 37 3DAttitude display 5） 數(shù)據(jù)編碼和控制按鍵 利用之前的發(fā)送接收協(xié)議，直接對上位機輸出進行賦值發(fā)送，使得下位機接受上位機發(fā)送信號。 數(shù)據(jù)編碼和按鍵控制程序： 圖 38 發(fā)送控制 Figure 38Transmission control 6） 上位機總界面 上位機總界面分為基本功能、高級收碼、波形顯示、傳感器波形、飛控平臺和飛控平臺 2。完成了上位機數(shù)據(jù)采集、遠端控制、波形顯示、重要數(shù)據(jù)顯示和姿態(tài) 3D 顯示等主要功能。 上位機總界面： 22 圖 39 總界面 Figure 39 Main interface 23 第四章 硬件 電路制作 和調(diào)試 完成了硬件的設(shè)計、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設(shè)計正常運行，必須進行 電路制作 和軟件調(diào)試。 硬件電路的制作 1）制作前準備 首先要熟悉所焊印制電路板的裝配圖，并按圖紙配料，檢查元器件型號、規(guī)格及數(shù)量是否符合設(shè)計要求，并做好裝配前元器件引線成型等準備工作。 2）焊接順序 元器件裝焊順序依次為：電阻器、電容器、二極管、三極管、集成電路、大功率管，其它元器件為先小后大。 3）對元器件焊接要求 ： （ 1）電容器焊接 將電容器按圖裝人規(guī)定位置，并注意有極性電容器其 “ ＋ ” 與 “ － ” 極不能接錯，電容器上的標記方向要易看可見。先裝玻璃釉電容器、有機介質(zhì)電容器、瓷介質(zhì)電容器，最后裝電解電容器。 （ 2）二極管的焊接 二極管焊接要注意以下幾點：第一，注意陽極陰極的極性，不能裝錯；第二，型號標記要易看可見；第三，焊接立式二極管時，對最短引線焊接時間不能超過 2S 。 （ 3）三極管焊接 注意 e、 b、 c 三引線位置插接正確；焊接時間盡可能短，焊接時用鑷子夾住引線腳，以利散熱。焊接大功率三極管時，若需加裝散熱片，應將接觸面平整、打磨光滑后再緊固，若要求加墊絕緣薄膜時，切勿忘記加薄 膜。管腳與電路板上需連接時，要用塑料導線。 （ 4）集成電路 焊接首先按圖紙要求，檢查型號、引腳位置是否符合要求。焊接時先焊邊沿的二只引腳，以使其定位，然后再從左到右自上而下逐個焊接。對于電容器、二極管、三極管露在印制電路板面上多余引腳均需齊根剪去 24 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試的主要任務(wù)是排除硬件故障，其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障。 1）在電路的電源焊接一個電源指示燈，判斷電路中通電是否正常。 2）將電路中的電源線布置在通用板的四周，這樣使用電源很方便，減少干擾，同時可以減少短路故障發(fā)生的可能。 3）元器件合理 布局，且盡量減少占用板子的面積，力爭做到節(jié)儉。特別是單片機的晶振盡量靠近單片機，減少干擾。 軟件調(diào)試 飛控軟件調(diào)試 軟件調(diào)試是利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，主要目的 是 發(fā)現(xiàn)和改正錯誤并改善軟件的性能，同時也能發(fā)現(xiàn)硬件故障。 程序的調(diào)試需要分模塊進行，單獨調(diào)試各功能子程序，檢驗程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預期的功能，接口電路的控制是否正常等；最后逐步將各子程序連接起來總調(diào)。聯(lián)調(diào)需要注意的是，各程序模塊間能否正確傳遞參數(shù)，特別要注意各子程序的現(xiàn)場保護與恢復。 本設(shè)計模塊主要有： 1） 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊 2） DSP 數(shù) 據(jù)處理 3） 數(shù)據(jù)通信模塊 不斷地對 DSP 下程序，測試調(diào)試結(jié)果。 上位機軟件調(diào)試 利用下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行處理，觀察數(shù)據(jù)波形，記錄采集數(shù)據(jù)進行分析對比。 同時上位機可以實時發(fā)送控制數(shù)據(jù)，控制飛行器飛行姿態(tài)。 通過不斷調(diào)試，達到準確無誤，快速發(fā)送，快速接收，實時顯示要求。 25 圖 41 上位機接收 PWM 測試 Figure 41 The host puter receives the PWM test 圖 42 上位機數(shù)據(jù)接收和發(fā)送指令 Figure 42 The host puter to send and receive instructions 26 第 5 章 總結(jié) 四旋翼飛行器是一種市場前景廣闊的無人機飛行技術(shù)，具有很高的研究和應用價值，在無人偵察等方面具有更好的實用性，更高的安全性。四旋翼系統(tǒng)的關(guān)鍵是在飛控算法的研究，但是目前的飛控算法在準確性和速度上還沒不能滿足一些實際的應用需求。 本文綜合應用了硬件電路設(shè)計、軟件編程等方面的知識技能，提出了以電視片和上位機建立全雙工通信模式，來完成飛行器系統(tǒng)過程的設(shè)計思路。最后結(jié)果表明該設(shè)計思路可行。 完成畢業(yè)設(shè)計階段的主要的工作具體包括： 掌握 DSP 和 Labview 功能特點，在這個基礎(chǔ)之上，完成接口電路的連接以及相應的 DSP 的 C語言指令和 Labview 的 G 語言指令； 利用傳感器采集數(shù)據(jù)，通過 PID 算法實現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定； 通過計算機調(diào)試得到實驗結(jié)果，并且分析實驗結(jié)果，總結(jié)設(shè)計。 將得到成功調(diào)試結(jié)果，燒進 DSP 中完成飛行器設(shè)計的全部操作。 27 參考文獻 ： [1] 聶博文 .四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù) [J].電光與控制 , 20xx, 14(6): 113117． [2] LEISHMAN J G． (20xx).Principles of Helicopter York: Cambridge University Press． [3] MCKERROW P. 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[12] 張錫富 .傳感器 [M].北京：機械工業(yè)出版社， 20xx. 28 致謝 本課題的研究和本文的寫作是在 XX 老師和的悉心指導和幫助下完成的，他傾入了大量的心血和精力。在論文的研究寫作中，老師無論在學習還是在生活上都給予了我莫大的幫助和熱情關(guān)懷，老師學時淵博，治學態(tài)度嚴謹，學術(shù)思想活躍， 勤懇敬業(yè)，也深深的感染了我。在此，我特向他表示深切的謝意和崇高的敬意，他永遠是我學習和工作中的榜樣。 同時要感謝與我一起學習的同學們，任務(wù)的最終完成與他們的幫助是分不開的。我要特別感謝廣大網(wǎng)友 和硬件開發(fā)愛好者 ， 利用 網(wǎng)絡(luò) 和他們交流給 了 我很大的幫助， 他們 無私的將自己的成果 發(fā)布在 網(wǎng)絡(luò)上， 給 了我很大的啟發(fā)。