【正文】 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(jì)算，積分項(xiàng)（ Pi）是將所有采集值偏差相加。將式 （ 51）離散化得： ????= ??? 177。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過 直角 彎道時(shí)能否根據(jù) 進(jìn)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(gè)無刷 電機(jī)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。 //超聲波初始化 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 26 if(SCCB_Init(I2C0_SCL_PB00_SDA_PB01)) //攝像頭 OV7725 初始化 { while(1)。 //加速度計(jì) 、 陀螺儀初始化 ， 配置 20Hz 低通 LED_Init()。 //初始化模擬 I2C PWM_IN_Init()。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(jì)算路徑信息和把路徑信息傳送給控制模塊。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 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(jìn)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(dá)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 。 Keil MDK 可以自動配置啟動代碼，集成 Flash 燒寫模塊，強(qiáng)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。 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(jìn)行的，并最后生成可執(zhí)行文件。 圖 44 AMS1117 穩(wěn)壓電路圖 HCSR04 超聲波模塊工作時(shí)序圖 HCSR04 超聲波模塊工作時(shí)序圖，如圖 45 所示 。 電 機(jī) 模 塊新 西 達(dá) 電 機(jī)A 2 2 1 2 / 1 3 T電 機(jī) 模 塊新 西 達(dá) 電 機(jī)A 2 2 1 2 / 1 3 T電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊無 刷 電 機(jī) 電 子調(diào) 速 器電 機(jī) 驅(qū) 動 模 塊無 刷 電 機(jī) 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(jī)驅(qū)動 模塊 電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速， 電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖 如圖 42 所示 。當(dāng)然在圖 35 和圖 36 中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動的同時(shí)也會產(chǎn)生沿 x、 y 軸的水平運(yùn)動。原理如圖 37示。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 17 圖 36 四旋翼 的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動意圖 四旋翼 的偏航運(yùn)動 圖 37 四旋翼 的偏航運(yùn)動意圖 四旋翼 飛行器偏航運(yùn)動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實(shí)現(xiàn)。 都是 為了實(shí)現(xiàn) 四旋翼 飛行器的翻轉(zhuǎn)。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 16 四旋翼 的俯仰運(yùn)動 圖 35 四旋翼 的俯仰運(yùn)動意圖 在圖 35 中，電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速增加，電機(jī) 3 轉(zhuǎn)速 減小 ，電機(jī) 電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定 不變 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 15 圖 33 中 前F 、 后F 、 左F 、 右F 分別代表前后左右四個(gè)旋翼的升力； 前M 、 后M 、 左M 、右M 分別代表前后左右四個(gè)旋翼的力矩。 因?yàn)?四旋翼 飛行器具有四個(gè)旋翼，所以一共有四個(gè)旋翼構(gòu)造軸系。 結(jié)合以上特點(diǎn)，并對 四旋翼 飛行器作如下假設(shè)： 1)假設(shè)槳葉和機(jī)身都是剛性的，忽略 槳葉和機(jī)身 彈性變形造成的影響，且槳葉弦長b 為常數(shù) ，不會隨運(yùn)動狀態(tài)的 變化 而改變 ； 2)四旋翼 槳葉切面的升力系數(shù)沿 著槳葉 旋轉(zhuǎn)半徑方向的變化符合 如下公式 規(guī)律： ? （ 31） yC — 升力系數(shù)； 7yC — 特性切面的升力系數(shù)。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 12 3 系統(tǒng)理論分析 3. 1 四旋翼 飛行器的模型簡析 四旋翼 飛行器與 其他 類別的 飛行器 相比 較 ，具有如下特點(diǎn)： 共同點(diǎn)： 都 屬于旋翼式飛行器，因此 四旋翼 飛行器空氣動力學(xué)分析可以 參考 其他多 旋翼式飛行器飛行動力學(xué)基本原理。 其 優(yōu)點(diǎn) 是 利 于裝配，使用 方便 ，受 可見光 干擾 小 。 超聲波發(fā)射器向 正前 方 發(fā) 射超聲波，同時(shí) 計(jì)時(shí) 開始，超聲波在空氣中傳播，途中 若 碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器接收到反射信號立即停止計(jì)時(shí)， 通過聲音在空氣中傳播的速度可以計(jì)算出障礙物與超聲波模塊間的距離。 三 、 根據(jù)實(shí)際的圖像顯示效果，適時(shí)合適的更改圖像的亮度，是顯示效果更加滿意。 OV7725 的 SCCB基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 10 控制時(shí)序圖如圖 23 所示。 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。而 CCD 模擬攝像頭未能提供 PCLK 信號，同時(shí)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。 1)靈敏度低， 不適于高速運(yùn)行； 2)噪點(diǎn)高。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。 方案二： 飛行控制模塊。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(shí)際應(yīng)用中，穩(wěn)壓管溫度 上升 過高時(shí)，其工作的 穩(wěn)壓性能將變差，甚至 燒毀 。此外， MPU6050片上還 內(nèi)部還有 了一個(gè)溫度傳感器 用于矯正溫度變化對采集數(shù)據(jù)的影響 。擴(kuò)展之后就可以通過其 I2C接口輸出一個(gè) 9軸 變化 的 數(shù)字 信號。 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(yùn)動狀態(tài)。 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(yùn)動 的情況下進(jìn)行測量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運(yùn)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。 加速度 檢測 傳感器是可以 檢測加速力 變化 的電子 器件 。 根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，以及本設(shè)計(jì)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(jì)采用了 PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。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。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]。 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)。 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) 。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測到的姿態(tài)信息并實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn) 飛行器的起飛、降落及飛行姿態(tài) 和位置 的調(diào)整 。 本文主要從如下幾個(gè)方面入手對 四旋翼 飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)研究： (1) 四旋翼 飛行器原型樣機(jī)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)，飛行控制器硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)； (2) 攝像頭采集信號的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成； (3) 攝像頭采集的信號轉(zhuǎn)換為四旋翼飛行器的控制信號； (4) 四旋翼飛行器飛行模型的建立； (5) 四旋翼飛行器運(yùn)行狀態(tài)的采集和反饋； (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。傳感器模塊采用三軸加速度傳感器陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器飛行的當(dāng)前飛行姿態(tài)，并將飛行器的當(dāng)前飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給控制器模塊。 本研究的目的和意義 本四旋翼飛行器控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)由攝像頭地面的道路信息進(jìn)行循跡飛行功能。通過持續(xù)的創(chuàng)新，大疆致力于為無人機(jī)工業(yè)、行業(yè)用戶以及專業(yè)航拍應(yīng)用提供性能最強(qiáng)、體驗(yàn)最佳的革命性智能飛 行控制 產(chǎn)品和解決方案。其微納米科學(xué)技術(shù)研究院曾 制造 出以直徑僅有 作為 動力 的雙旋翼微型直升機(jī)。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 3 中國的微型飛行器 國內(nèi)部分高等院校和科研機(jī)構(gòu)正在開展微型飛行器的研究工作 ， 研究成果主要有北京理工大學(xué)的智能機(jī)器人研究所、國防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和上海交通大學(xué)微納米科學(xué)技術(shù)研究院等在做這方面的相關(guān)研究工作。 此 飛行器 由 軍隊(duì)人員 帶到距離目標(biāo)幾千米處 手動 發(fā)射 [12]。 “ Entomopter” 撲 翼式微型 飛機(jī) 由 California Institute of Technology 和 AeroVironment公司 及 University of California 聯(lián)合研制 ，共花費(fèi)約 180 萬美元。 20xx 年 9 月 制造 出一種采用大容量 電池、 飛行 穩(wěn)定、 可錄 像 且運(yùn)動靈活 的微型飛行器 [8]。 1995 年 11 月 ， DARPA 召開了微型飛行器可 行性 專題討論 會； 1996 年 3 月 ,DARPA 召開了向工業(yè)界通報(bào)情況的介紹會；1996 年 10 月 ,DARPA 召開了用戶與研制者的討論會； 1997 年 DARPA 正式通過小型商業(yè)革新研究 (SBIR)項(xiàng)目 ,投資進(jìn)行系統(tǒng)研究或發(fā)展特種技術(shù) [7]。 美國科學(xué)家布魯諾 ? W? 奧根斯坦在 1992 年美國國防高級研究計(jì)劃局 (DARPA)主持的一次軍事會議上提出 微型飛行器 (MicroAirVehicle)的概念 ， 四旋翼 飛行器 最早設(shè)計(jì)并完成 并 試飛的是 Breguet 兄弟， Gee De Bothezat, Etienne 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 2 Oemichen 以及 . Kaplan [5]。目前看來，四旋翼飛行器 依然不少 技術(shù)問題 沒有解決，許多技術(shù)問題 依然 沒有突破性的進(jìn)展 [5]。由此，四旋翼飛行器的設(shè)計(jì) 也朝著 小型化、多樣化 方向發(fā)展 ，應(yīng)用范圍也 在不斷地?cái)U(kuò)大 [2]。四旋翼飛行器通過 輸出占空比的方式 調(diào)節(jié)四個(gè) 無刷 電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn) 四旋翼飛行器的力矩和 升力的變化，從而控制 四旋翼 飛行器的 飛行 姿態(tài)和位置 變換 [1]， 其 具有 造價(jià)低且可復(fù)制性強(qiáng)的特點(diǎn)，已成為航模界的新銳力量。 本 系統(tǒng) 采用模塊結(jié)構(gòu) 化 設(shè)計(jì)的方法， 包括飛