【導(dǎo)讀】題目基于DSP的四旋翼無人飛行器設(shè)計(jì)

　　

【正文】 以實(shí)現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，是相當(dāng)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(jī)編程系統(tǒng)（支持 32 位的嵌入式系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展的），不斷完善中。 基于 Labview上位機(jī)結(jié)構(gòu)介紹 利用 Labview 設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，在有限的時(shí)間里可以快速完成軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)四旋翼無人飛行系統(tǒng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)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(jī)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?biāo)準(zhǔn)。協(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(fù)責(zé)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(gè)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(fù)雜連線，采用 C 語言簡單的程序編程，即成為一個(gè)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(jìn)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(shí)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(jī)輸出進(jìn)行賦值發(fā)送，使得下位機(jī)接受上位機(jī)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(jī)總界面 上位機(jī)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(jī)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)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(jī)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(jì)、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設(shè)計(jì)正常運(yùn)行，必須進(jìn)行 電路制作 和軟件調(diào)試。 硬件電路的制作 1）制作前準(zhǔn)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(jì)要求，并做好裝配前元器件引線成型等準(zhǔn)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(cuò)，電容器上的標(biāo)記方向要易看可見。先裝玻璃釉電容器、有機(jī)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(diǎn)：第一，注意陽極陰極的極性，不能裝錯(cuò)；第二，型號標(biāo)記要易看可見；第三，焊接立式二極管時(shí)，對最短引線焊接時(shí)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(shí)間盡可能短，焊接時(shí)用鑷子夾住引線腳，以利散熱。焊接大功率三極管時(shí)，若需加裝散熱片，應(yīng)將接觸面平整、打磨光滑后再緊固，若要求加墊絕緣薄膜時(shí)，切勿忘記加薄 膜。管腳與電路板上需連接時(shí)，要用塑料導(dǎo)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(shí)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(gè)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(jì)錯(cuò)誤和工藝性故障。 1）在電路的電源焊接一個(gè)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(shí)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(jī)的晶振盡量靠近單片機(jī)，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(jìn)行在線仿真調(diào)試，主要目的 是 發(fā)現(xiàn)和改正錯(cuò)誤并改善軟件的性能，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)硬件故障。 程序的調(diào)試需要分模塊進(jìn)行，單獨(dú)調(diào)試各功能子程序，檢驗(yàn)程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)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(hù)與恢復(fù)。 本設(shè)計(jì)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(jī)軟件調(diào)試 利用下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，觀察數(shù)據(jù)波形，記錄采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。 同時(shí)上位機(jī)可以實(shí)時(shí)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(dá)到準(zhǔn)確無誤，快速發(fā)送，快速接收，實(shí)時(shí)顯示要求。 25 圖 41 上位機(jī)接收 PWM 測試 Figure 41 The host puter receives the PWM test 圖 42 上位機(jī)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(jī)飛行技術(shù)，具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值，在無人偵察等方面具有更好的實(shí)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(zhǔn)確性和速度上還沒不能滿足一些實(shí)際的應(yīng)用需求。 本文綜合應(yīng)用了硬件電路設(shè)計(jì)、軟件編程等方面的知識技能，提出了以電視片和上位機(jī)建立全雙工通信模式，來完成飛行器系統(tǒng)過程的設(shè)計(jì)思路。最后結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路可行。 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的主要的工作具體包括： 掌握 DSP 和 Labview 功能特點(diǎn)，在這個(gè)基礎(chǔ)之上，完成接口電路的連接以及相應(yīng)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(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定； 通過計(jì)算機(jī)調(diào)試得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)設(shè)計(jì)。 將得到成功調(diào)試結(jié)果，燒進(jìn) DSP 中完成飛行器設(shè)計(jì)的全部操作。 27 參考文獻(xiàn) ： [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. (20xx).Modelling the Draganflyer FourRotor Helicopter[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation． New Orleans． : 35963601． [4] 古月徐 ,楊忠 ,龔華軍 .基于 DSP 的飛 行控制器的設(shè)計(jì) [J],兵工自動化 ,20xxP34 [5] 劉麗麗 .四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究 [D],長沙 :中南大學(xué) , 20xx. [6] Hrechak A K, Mchugh J A.(1990).Automated Fingerprint Recognition Using Structural Matching. Pattern Recognition, 23(8):893904 [7] Jain A, Hong L, Bolle R.(1997) .Online Fingerprint Verification. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence,19(4):302313 [8] Luo Xiping, Tian Jie, Wu Yan. (20xx). A Minutia Matching Algorithm in Fingerprint Verification. 15th ICPR, Barcelona, 4:833836 [9] 張毅剛 .單片機(jī)原理 與應(yīng)用 [M],北京 :高等教育出版社 ,20xx. [10] FM70 Datasheet. veridi 公司 ,20xx. [11] QC12864B Datasheet. orient display 公司 ， 1999. [12] 張錫富 .傳感器 [M].北京：機(jī)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(dǎo)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(xué)習(xí)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(xué)時(shí)淵博，治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)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(yuǎn)是我學(xué)習(xí)和工作中的榜樣。 同時(shí)要感謝與我一起學(xué)習(xí)的同學(xué)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)。