【正文】 √??2 ?4????2?? ???? ???? controller 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 。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。 PID 算法 PID 算法簡介： PID 算法是自動控制領域和和自動化生產實踐中應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)。 //DMA 初始化 5. 5 算法設計 四旋翼飛行器能否 按照指定的路線 飛 完全程除了穩(wěn)定的硬件設計外，還在于控制程序的算法是否準確而合理。 } DMA_Init(amp。 //延時 Ultrasonic_Init()。 //LED 功能初始化 Para_Init()。 //延時 MPU6050_Init(20)。 //初始化接收機采集功能 PWM_Out_Init(400)。 //滴答時鐘 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 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 閉 定 時 器關 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 。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。這種分層的結構使得對 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用。 相比于之前的 Version4，新發(fā)布的 Version 版本的 MDK 有了 非 常大的架構調整，增添 了許多新的特性。支持 ARM ARM CortexM0、 CortexM0+、 CortexMCortexM CortexR4 內核核處理器。 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?；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。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 21 圖 45 HCSR04 超聲波模塊工作時序圖 4. 4 小結 本章 首先簡述了系統(tǒng)的硬件總體設計，接著講述了電機驅動模塊 、 電源模塊的設計。電路原理圖 如圖 44 所示 。 圖 42 電機驅動子系統(tǒng)框圖 P W MP W M電 調電 調電 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、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 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 19 4 硬件電路部分設計 4. 1 系統(tǒng) 硬件 總體 設計 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，需要外接超聲波測距模塊和電機驅動模塊，系統(tǒng)總體 工作 框圖如圖 41 所示。 同理，根據(jù) 四旋翼 飛行器前后運動的工作原理，將飛行器 x、 y 軸上的電機的工作狀態(tài)進行互換便可以實現(xiàn) 四旋翼 飛行器側向運動，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計 18 四旋翼 的前后運動與側向運動 圖 38 四旋翼 的前后運動與側向運動意圖 要想實現(xiàn)飛行器在水平面內前后、左右的運動，必須在水平電機轉速不變，反扭矩仍然要保持平衡。在圖37 中，當電機 1 和電機 3 的轉速上升， 電機 2 和電機 4 的轉速下降時，旋翼 1 和旋翼3 對機身 的反扭矩大于旋翼 2 旋翼 4 對機身的反扭矩，機身便在 多余的 反扭矩的作用下繞 z 軸轉動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉向與電機 電機 3 的轉向相反。旋翼轉動過程中因為空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。原理如圖 36 示。只不過俯仰運動改變的是電機 3 的轉速，保持電機 4 的轉速不變，使得 四旋翼 飛行器繞 y 軸進行旋轉。 四旋翼 的滾轉運動 滾轉運動與俯仰運動相同。為了不因為 四 旋翼轉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 轉速改變量的大小 必須 相等。確保四個旋翼轉速同 時 增加或減小 相同的升力 是 四旋翼飛行器 垂直運動的關鍵。當控制飛行器四個旋翼所產生的升力和力矩 變化 時，飛行器將產生 不同 種 類 飛行姿態(tài)，實現(xiàn) 多 種航行任務。 3. 4 四旋翼 飛行器力學控制原理 圖 33 四旋翼 受力模型 四旋翼飛行器是通過四個 旋翼 產生的 總 力和力矩來實現(xiàn) 四旋翼 飛行器的飛行及整個 飛行 姿態(tài)控制的，整個四旋翼飛行器可以 假設 成如圖 33 模型所示。以右 （ right） 旋翼為例，創(chuàng)建旋翼結構軸系如圖 32 所示。 旋翼構造軸系的建立 圖 32 四 旋翼構造軸系的建立 旋翼構造軸系是以槳翼中心 O 為原點建立的直角坐標系，豎軸 OY 沿旋翼的構造旋轉軸，以指向上方為正；縱軸 OX 沿構造旋轉平面與機身縱向對稱面的交線方向，指向機頭方向為正；橫軸 OZ 與 OY、 OX 兩軸垂直，順旋翼旋轉方向以指向 A? =90 方位為正。 3)假定 四旋翼 翼型阻力系數(shù)和 xC 和誘導速度 v 沿槳葉半徑不變 ； 4)旋翼軸均垂直于機體平面； 3. 2 四旋翼 飛行器坐標系的建立 對飛行器進行分析經(jīng)常用坐標系有 速度坐標系、 機體坐標系、 地面坐標系 以及旋翼坐標系，不同坐標系 與坐標系 之間可以通過 數(shù)學公式 進行 變 換。 3)因為不存在變矩作用，所以 四旋翼的 槳葉揮舞角不 會 隨 著 方位角的變化而變化，其運動可以 用數(shù)學公式 描述為： iik ?? ??i ， i? — 四旋翼 飛行器懸停時第 i 個旋翼的揮舞角； i— 旋翼編號， i=Ⅰ ， Ⅱ ， Ⅲ ， Ⅳ 。 不同點： 1)四旋翼 飛行器只受旋翼和機身所產生的力和力矩，但直升機 飛行器 除此之外還承受尾槳、平尾所產生的 其他 力和力矩。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 11 2. 6 小結 本章 首先 講述了本 畢業(yè) 設計的總體設計方案， 后面依次論證選擇了驅動模塊、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模塊，通過本章的論證，確定了本次畢業(yè)設計的硬件選擇，為接下來的工作做好準備。 缺點 是 容易受到陽光中的紅外線干擾， 檢測距離短， 檢測距離不符合設計 要求。 紅外反射式傳感器測距是 紅外線發(fā) 射 管發(fā)射 紅外線然后通過紅外線接收管 測量回波時間，光速 *時間＝距離。 其 優(yōu)點是準確度高 ，可靠性高 ， 不受外界光線干擾 。 2. 5 高度檢測系統(tǒng) 的論證與選擇 方案一： 超聲波測距 。此外，還需要對攝像頭的其他寄存器（如：與曝光時間、白平衡有關的寄存器等）也做適當更改，使得顯示的效果更加直觀、清晰。 二 、 將攝像頭的對比度設置成了最高，高對比度可以使軌跡信息的與白色的地面更清晰的區(qū)別開來，方便后續(xù)圖像處理 。 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設計 10 圖 23 OV7725 的控制時序圖 在使用 OV7725 時，通過 SCCB 協(xié)議，利用 SCL、 SDA 端口，對該攝像頭寄存器進行了配置，需要對該攝像頭的三處做了重新設置。配合 OV7725 的工作時序，通過單片機適時的對這 8 位端口進行采集，便可得到期望的圖像點的灰度值。能夠滿足基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器 對路徑檢測 的要求。 OV7725 是一個集成模塊，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)字攝像頭作為 畢業(yè) 設計 的圖像傳感器。使用 DMA 可以節(jié)省單片機 硬件 資源，讓單片機可以在同一時間里 做更多不同的 事情 ， 這樣 便 提高 了單片機的工作效率。 通過比較，發(fā)現(xiàn) CMOS 數(shù)字攝像頭相比于 CCD 模擬攝像頭，有著供電電路簡單，體積小巧 、 質量輕 、 功耗低 等諸多方面的優(yōu)勢。 2)功耗高，需 12V供電 表 22 CMOS 數(shù)字攝像頭的優(yōu)缺點 優(yōu)點 缺 點 1)體積小，重量輕，功耗低； 2)內部集成 A/D，電路要求簡 單，方便系統(tǒng)小型化； 3