【正文】 ??2 ?4????2?? ???? ???? controller 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 。此式是時(shí)域表達(dá)式，而單片機(jī)智能處理數(shù)字信號(hào)，即數(shù)字 PID 控制。 PID 算法 PID 算法簡(jiǎn)介： PID 算法是自動(dòng)控制領(lǐng)域和和自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)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(shí)際輸入的差值將這個(gè)誤差信號(hào)送給控制器，控制器通過(guò)計(jì)算處理得出誤差信號(hào)的積分值和微分值，將這些值與某些信號(hào)進(jìn)行整合比較，得到輸出值，用公式表達(dá)如下： ??(??) = K?? [??(τ) + 1????∫ ??(τ)???? +??????0 ????(t)?? ] （ 51） 上式中， K??為比例系數(shù) , K??為積分時(shí)間常數(shù)， ????為微分時(shí)間常數(shù)。 //DMA 初始化 5. 5 算法設(shè)計(jì) 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(jì)外，還在于控制程序的算法是否準(zhǔn)確而合理。 } DMA_Init(amp。 //延時(shí) Ultrasonic_Init()。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 //延時(shí) MPU6050_Init(20)。 //初始化接收機(jī)采集功能 PWM_Out_Init(400)。 //滴答時(shí)鐘 I2c_Soft_Init()。 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)。 開(kāi) 始開(kāi) 始初 始 化 定時(shí) 器初 始 化 定時(shí) 器啟 動(dòng) 定 時(shí)T 0啟 動(dòng) 定 時(shí)T 0發(fā) 射 超 聲 波發(fā) 射 超 聲 波延 時(shí)2 . 3 8 m s延 時(shí)2 . 3 8 m s開(kāi) 中 斷 開(kāi) 始接 收開(kāi) 中 斷 開(kāi) 始接 收是 否 收 到 回 聲是 否 收 到 回 聲關(guān) 閉 定 時(shí) 器關(guān) 閉 定 時(shí) 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(kāi) 始開(kāi) 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(cè) 高超 聲 波 測(cè) 高 h = 3 0 c m h = 3 0 c m圖 像 采 集圖 像 采 集 圖 像 識(shí) 別 與 分 析 圖 像 識(shí) 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(jī) F r e e s c a l e K i n i t e s 6 0單 片 機(jī) 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(jì) 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 。同時(shí) Freescale Kinites60 單片機(jī)控制 攝像頭模塊開(kāi)始采集圖像信息，將采集到的圖像經(jīng)過(guò)處理分析，實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的循跡飛行。這種分層的結(jié)構(gòu)使得對(duì) MDK5 的更新和維護(hù)更簡(jiǎn)單，對(duì)我們開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)效率也提高不少，因?yàn)樗峁┝撕艽筌浖┪覀冋{(diào)用。 相比于之前的 Version4，新發(fā)布的 Version MDK有了 非 常大的架構(gòu)調(diào)整 ，增添了許多新的特性。支持 ARM ARM CortexM0、 CortexM0+、 CortexMCortexM CortexR4 內(nèi)核核處理器。 Keil MDKARM（舊稱 RealView MDK）開(kāi)發(fā)工具源自德國(guó) Keil 公司，被全球上百萬(wàn)的嵌入式開(kāi)發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是 ARM 公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具?；境绦蚰K有超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)控制程序、攝像頭 采集圖像處理 程序、無(wú)線通訊 程序等，各個(gè)模塊能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)各部分功能。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 21 圖 45 HCSR04 超聲波模塊工作時(shí)序圖 4. 4 小結(jié) 本章 首先簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)，接著講述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 、 電源模塊的設(shè)計(jì)。電路原理圖 如圖 44 所示 。 圖 42 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖 P W MP W M電 調(diào)電 調(diào)電 機(jī)電 機(jī)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(jì) 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(wú)線通訊模塊 需要供電，其框圖如圖 43 所示 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 19 4 硬件電路部分設(shè)計(jì) 4. 1 系統(tǒng) 硬件 總體 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)包括 Freescale Kinites60 處理器的 最小系統(tǒng) 板和 STM32 為核心的飛控，其中Freescale Kinites60 處理器 處理攝像頭圖像信息，分析出地面的路徑信息， 完成飛行的導(dǎo)航控制算法，它需要外接 OV7725 攝像頭模塊； STM32 飛控器完成飛行控制算法，需要外接超聲波測(cè)距模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，系統(tǒng)總體 工作 框圖如圖 41 所示。 同理，根據(jù) 四旋翼 飛行器前后運(yùn)動(dòng)的工作原理，將飛行器 x、 y 軸上的電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行互換便可以實(shí)現(xiàn) 四旋翼 飛行器側(cè)向運(yùn)動(dòng)，原理圖如圖 38 所示。向后飛行與向前飛行正好相反。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 18 四旋翼 的前后運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng) 圖 38 四旋翼 的前后運(yùn)動(dòng)與側(cè)向運(yùn)動(dòng)意圖 要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。在圖37 中，當(dāng)電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升， 電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼 1 和旋翼3 對(duì)機(jī)身 的反扭矩大于旋翼 2 旋翼 4 對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在 多余的 反扭矩的作用下繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)向相反。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中因?yàn)榭諝庾枇ψ饔脮?huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。原理如圖 36 示。只不過(guò)俯仰運(yùn)動(dòng)改變的是電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速不變，使得 四旋翼 飛行器繞 y 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 四旋翼 的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)相同。為了不因?yàn)?四 旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼1 與旋翼 3 轉(zhuǎn)速改變量的大小 必須 相等。確保四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同 時(shí) 增加或減小 相同的升力 是 四旋翼飛行器 垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。當(dāng)控制飛行器四個(gè)旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩 變化 時(shí)，飛行器將產(chǎn)生 不同 種 類 飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn) 多 種航行任務(wù)。 3. 4 四旋翼 飛行器力學(xué)控制原理 圖 33 四旋翼 受力模型 四旋翼 飛行器是通過(guò)四個(gè) 旋翼 產(chǎn)生的 總 力和力矩來(lái)實(shí)現(xiàn) 四旋翼 飛行器的飛行及整個(gè) 飛行 姿態(tài)控制的，整個(gè) 四旋翼 飛行器可以 假設(shè) 成如圖 33 模型所示。以右 （ right） 旋翼為例，創(chuàng)建旋翼結(jié)構(gòu)軸系如圖 32 所示。 旋翼構(gòu)造軸系的建立 圖 32 四 旋翼構(gòu)造軸系的建立 旋翼構(gòu)造軸系是以槳翼中心 O 為原點(diǎn)建立的直角坐標(biāo)系，豎軸 OY 沿旋翼的構(gòu)造旋轉(zhuǎn)軸，以指向上方為正；縱軸 OX 沿構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面與機(jī)身縱向?qū)ΨQ面的交線方向，指向機(jī)頭方向?yàn)檎?；橫軸 OZ與 OY、 OX 兩軸垂直，順旋翼旋轉(zhuǎn)方向以指向 A? =90 方位為正。 3)假定 四旋翼 翼型阻力系數(shù)和 xC 和誘導(dǎo)速度 v 沿槳葉半徑不變 ； 4)旋翼軸均垂直于機(jī)體平面； 3. 2 四旋翼 飛行器坐標(biāo)系的建立 對(duì)飛行器進(jìn)行分析經(jīng)常用坐標(biāo)系有 速度坐標(biāo)系、 機(jī)體坐標(biāo)系、 地面坐標(biāo)系 以及旋翼坐標(biāo)系，不同坐標(biāo)系 與坐標(biāo)系 之間可以通過(guò) 數(shù)學(xué)公式 進(jìn)行 變 換。 3)因?yàn)椴淮嬖谧兙刈饔?，所?四旋翼的 槳葉揮舞角不 會(huì) 隨 著 方位角的變化而變化，其運(yùn)動(dòng)可以 用數(shù)學(xué)公式 描述為： iik ?? ??i ， i? — 四旋翼 飛行器懸停時(shí)第 i 個(gè)旋翼的揮舞角； i— 旋翼編號(hào)， i=Ⅰ ， Ⅱ ， Ⅲ ， Ⅳ 。 不同點(diǎn)： 1)四旋翼 飛行器只受旋翼和機(jī)身所產(chǎn)生的力和力矩，但直升機(jī) 飛行器 除此之外還承受尾槳、平尾所產(chǎn)生的 其他 力和力矩。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 11 2. 6 小結(jié) 本章 首先 講述了本 畢業(yè) 設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案， 后面依次論證選擇了驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊、飛行控制模塊、攝像頭模塊和高度檢測(cè)模塊，通過(guò)本章的論證，確定了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件選擇，為接下來(lái)的工作做好準(zhǔn)備。 缺點(diǎn) 是 容易受到陽(yáng)光中的紅外線干擾， 檢測(cè)距離短， 檢測(cè)距離不符合設(shè)計(jì) 要求。 紅外反射式傳感器測(cè)距是 紅外線發(fā) 射 管發(fā)射 紅外線然后通過(guò)紅外線接收管 測(cè)量回波時(shí)間，光速 *時(shí)間＝距離。 其 優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高 ，可靠性高 ， 不受外界光線干擾 。 2. 5 高度檢測(cè)系統(tǒng) 的論證與選擇 方案一： 超聲波測(cè)距 。此外，還需要對(duì)攝像頭的其他寄存器（如：與曝光時(shí)間、白平衡有關(guān)的寄存器等）也做適當(dāng)更改，使得顯示的效果更加直觀、清晰。 二 、 將攝像頭的對(duì)比度設(shè)置成了最高，高對(duì)比度可以使軌跡信息的與白色的地面更清晰的區(qū)別開(kāi)來(lái)，方便后續(xù)圖像處理 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 10 圖 23 OV7725 的控制時(shí)序圖 在使用 OV7725 時(shí)，通過(guò) SCCB 協(xié)議，利用 SCL、 SDA 端口，對(duì)該攝像頭寄存器進(jìn)行了配置，需要對(duì)該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。配合 OV7725 的工作時(shí)序，通過(guò)單片機(jī)適時(shí)的對(duì)這 8 位端口進(jìn)行采集，便可得到期望的圖像點(diǎn)的灰度值。能夠滿足基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器 對(duì)路徑檢測(cè) 的要求。 OV7725 是一個(gè)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。 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(jì) 的圖像傳感器。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(shí)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。 通過(guò)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(jiǎn)單，體積小巧 、 質(zhì)量輕 、 功耗低 等諸多方面的優(yōu)勢(shì)。 2)功耗高，需 12V供電 表 22 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺 點(diǎn) 1)體積小，重量輕，功耗低； 2)內(nèi)部集成 A/D，電路要求簡(jiǎn) 單，方便系統(tǒng)小型化；