【正文】 pleted autonomous stable flight by the realtime feedback information. Key words: four rotor autonomous vehicle, MCU, camera tracking, ultrasonic module, brushless motor 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 III 目 錄 1 概論 .......................................................................................................................... 1 選題背景 .......................................................................................................... 1 國內(nèi)外飛行器的研究現(xiàn)狀 .............................................................................. 1 四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司 ...................................................................... 3 本研究的目的和意義 ...................................................................................... 3 小結(jié) .................................................................................................................. 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ............................................................................................... 4 2. 1 驅(qū)動模塊的論證與選擇 ................................................................................. 5 2. 2 傳感器模塊的選擇 ......................................................................................... 6 2. 2 電源模塊的論證與選擇 ................................................................................. 8 2. 3 飛行控制模塊的論證與選擇 ......................................................................... 8 2. 4 攝像頭模塊的論證與選擇 ............................................................................. 8 2. 5 高度檢測系統(tǒng)的論證與選擇 ....................................................................... 10 2. 6 小結(jié) ............................................................................................................... 11 3 系統(tǒng)理論分析 ...................................................................................................... 11 3. 1 四旋翼飛行器的模型簡析 ........................................................................... 11 3. 2 四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立 ....................................................................... 12 3. 3 四旋翼飛行 器上總的力和力矩 ................................................................... 14 3. 4 四旋翼飛行器力學(xué)控制原理 ....................................................................... 14 3. 5 小結(jié) ............................................................................................................... 18 4 硬件電路部分設(shè)計 ............................................................................................. 19 4. 1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 ....................................................................................... 19 4. 2 電機驅(qū)動模塊 ............................................................................................... 19 4. 3 電源模塊 ....................................................................................................... 20 4. 4 小結(jié) ............................................................................................................... 21 5 系統(tǒng)設(shè)計軟件部分設(shè)計 ................................................................................... 22 5. 1 程序設(shè)計總論 ............................................................................................... 22 5. 2 軟件開發(fā)工具簡介 ....................................................................................... 22 5. 3 程序流程圖 ................................................................................................... 23 5. 4 各模塊初始化 ............................................................................................... 25 5. 5 算法設(shè)計 ....................................................................................................... 26 5. 6 小結(jié) ............................................................................................................... 30 6 系統(tǒng)調(diào)試 .............................................................................................................. 30 6. 1 軟硬件調(diào)試 ................................................................................................... 30 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 IV 6. 2 通用排故方法 ............................................................................................... 33 6. 3 小結(jié) ............................................................................................................... 33 7 參考文獻 .............................................................................................................. 34 致謝 ............................................................................................................................ 35 附錄 ............................................................................................................................ 37 基于攝像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 1 1 概 論 選題背景 四旋翼飛行器 是一種有 四 個螺旋槳且 由兩對正反 槳呈 “ +” 形交叉 排列 的飛行器 。 其中飛行控制模塊以 STM32F407 為控制核心，用來 調(diào)整 四旋翼 自主飛行器的飛行姿態(tài)；而 循跡模塊以 Freescale Kinites60 為核心控制器， 處理 攝像頭 OV7725 采集 的圖像信息 后 ， 把路徑信息反饋給飛行控制模塊， 使 飛行器能夠按照 給 定的黑色引導(dǎo)線 循跡 飛行 ； 超聲波模塊 獲取 飛行器離地高度 信息 ， 并將 信息 傳遞 給 飛行控制模塊 ，從而 調(diào)整飛行姿態(tài) ， 實現(xiàn) 設(shè)計 要求?；跀z像頭循跡的四旋翼飛行器設(shè)計 I 摘 要 本 系統(tǒng)設(shè)計 并制作 一 架基于攝像頭 循跡 四旋翼自主飛行器 ， 其所需循跡的道路是白底的黑色引導(dǎo)線。 本 系統(tǒng) 采用模塊結(jié)構(gòu) 化 設(shè)計的方法， 包括飛行控制 模塊、 驅(qū)動 模塊、電源 模塊 、 循跡 飛行、 高度檢測系統(tǒng)等 ， 以 Freescale Kinites60 單片機 為數(shù)據(jù)處理 控制中心 ， 將各個模塊 有效配合 形成整體。 循跡 模塊和超聲波模塊 與飛 行控制 模塊 通過串口 保持即時通信， 飛 行控制 模塊 根據(jù)實時 反饋的信息， 控制 電調(diào)驅(qū)動四個 無刷 電機完成自主 穩(wěn)定 飛行。四旋翼飛行器通過 輸出占空比的方式 調(diào)節(jié)四個 無刷 電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(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 造價低且可復(fù)制性強的特點，已成為航模界的新銳力量。 近些年來，由于 自動 控制技術(shù) 、 微 電子 控制 技術(shù) 和傳感器技術(shù) 的發(fā)展，運用先進的控制技術(shù)，使用無刷電機代替 傳統(tǒng)油 動力進行四旋翼飛行器的研究，各個旋翼對機身所施加的反扭 矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以平衡 旋翼對機身的反扭矩，因此不需要專門的反扭矩槳。由此，四旋翼飛行器的設(shè)計 也朝著 小型化、多樣化 方向發(fā)展 ，應(yīng)用范圍也 在不斷地擴大 [2]。 例如在 災(zāi)害中，通過攜帶 指 定 的 檢測模塊，四旋翼飛行器可以 探 測有害物質(zhì)的濃度、 災(zāi)害 周圍 的溫濕度以及危險物的大致范圍，能夠?qū)崟r 回傳 數(shù)據(jù)， 便于指揮人員對災(zāi)害情況的掌握 。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 沒有突破性的進展 [5]。四旋翼飛行器所