四旋翼道路交通巡檢系統(tǒng)

1、基于小型四旋翼飛行器的機(jī)械系統(tǒng)（1）飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）飛行器機(jī)身支架板的設(shè)計(jì)（3）電機(jī)固定支架設(shè)計(jì)（4）攝像機(jī)支架設(shè)計(jì)（5）飛行器起落架設(shè)計(jì)（6）集成機(jī)體的測(cè)試2、基于四旋翼無(wú)人飛行器動(dòng)力系統(tǒng)（1）電調(diào)（2）電機(jī)（3）電池（4）螺旋槳3、基于四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)（主控單元）（1）飛行器硬件結(jié)構(gòu)主控單元單片機(jī)（2）飛行器軟件結(jié)構(gòu)飛行控制系統(tǒng)軟件部分和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件部分（3）控制原理及數(shù)字PID控制原理（4）對(duì)單片機(jī)RAM測(cè)試部分,4、基于飛行器飛行控制系統(tǒng)機(jī)載部分（1）飛行控制基本原理（2）機(jī)載部分的框架及其控制算法（3）傳感器模塊、四電機(jī)控制模塊和中央控制器模塊（4）操作的時(shí)序關(guān)系及邏輯關(guān)系（5）傳感器模塊選型慣性測(cè)量單元模塊磁航向計(jì)DGPS陀螺儀加速度計(jì)數(shù)字羅盤（6）四電機(jī)控制模塊電機(jī)減速齒輪驅(qū)動(dòng)芯片（7）中央控制模塊,（8）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊中央控制模塊電機(jī)控制模塊（9）模糊PID控制算法PID簡(jiǎn)介模糊控制器的簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)思路（10）利用Matlab中的仿真Simulink進(jìn)行仿真測(cè)試,5、基于小型四旋翼飛行器的無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)上行部分）（1）無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)2.4G無(wú)線傳輸協(xié)議（2）飛行器上的數(shù)據(jù)收發(fā)器DTD433工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳模組（3）流程設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的操作DTD433與終端設(shè)備的連接各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及流程設(shè)計(jì)6、基于小型四旋翼飛行器的無(wú)限通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)下行部分）（1）RFW102無(wú)線芯片模組（2）抗干擾設(shè)計(jì)與曼徹斯特編碼（3）222CRC校驗(yàn)（4）RFAV無(wú)線收發(fā)模塊引腳功能設(shè)計(jì)（5）2.4Ghz無(wú)線收發(fā)器架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖（6）DTD433數(shù)傳模組（7）調(diào)制解調(diào)器與PC機(jī)接口電路設(shè)計(jì)（8）圖象無(wú)線傳輸軟件設(shè)計(jì),7、基于四旋翼飛行器的地面終端控制（1）軟件架構(gòu)MVC三層架構(gòu)（2）地面檢測(cè)和調(diào)試模塊、遙控遙測(cè)控模塊、地面站遙控設(shè)備接入和視頻監(jiān)控軟件模塊（3）視頻數(shù)據(jù)傳輸部分（4）控制部分（5）地面終端PC界面8、基于交通流三參數(shù)圖象處理系統(tǒng)（1）總體功能二值化、目標(biāo)追蹤從圖象提取顯示視頻顯示K、V、Q三參數(shù)數(shù)據(jù)（2）子系統(tǒng)模塊背景圖象建模車輛目標(biāo)提取基于外形和幀間運(yùn)動(dòng)向量的車輛跟蹤方法計(jì)算平均車速、車流密度、車流量,電機(jī)固定支架無(wú)刷電機(jī),螺旋槳,電池,微處理器、GPS、慣性測(cè)量單位等,著陸架,玻纖維板CNC框架,航拍支架航拍攝像機(jī),電調(diào),需求分析,如今，不僅在大城市或者在中小城市，我們都能感受到一點(diǎn)，就是在交通面臨著擁擠、阻塞、大氣環(huán)境惡化以及能源危機(jī)等情況，因此ITS的產(chǎn)生是形勢(shì)所趨。此次設(shè)計(jì)主要是為解決交通擁擠、行車調(diào)度等問(wèn)題而開發(fā)出四旋翼飛行器來(lái)航拍路面交通情況。四旋翼飛行器，是一種具有四個(gè)螺旋槳的飛行器并且四個(gè)螺旋槳呈十字形交叉結(jié)構(gòu)，相對(duì)的四旋翼具有相同的旋轉(zhuǎn)方向，分兩組，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同，四旋翼直升機(jī)只能通過(guò)改變螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。我們小組通過(guò)觀察與分析，并設(shè)計(jì)出一部可航拍的四旋翼飛行器來(lái)為我們得到交通流數(shù)據(jù)，從而簡(jiǎn)便我們的交通運(yùn)輸流分析和解決交通堵塞問(wèn)題。,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),流程設(shè)計(jì),一共分為5點(diǎn)：機(jī)身支架板的設(shè)計(jì)、電機(jī)固定支架的設(shè)計(jì)、攝像機(jī)支架的設(shè)計(jì)、起落架的設(shè)計(jì)主要參數(shù)。1、機(jī)身支架板的設(shè)計(jì)機(jī)架作為整個(gè)四旋翼飛行器的骨架，在滿足機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，必須根據(jù)機(jī)架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項(xiàng)要求，并有所偏重。1、機(jī)架的重量輕，材料選擇合適，成本低。2、結(jié)構(gòu)合理，便于制造。3、結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性好，還應(yīng)使機(jī)架本身的內(nèi)應(yīng)力小，由溫度變化引起的變形應(yīng)力小。5、抗振性能好。6、耐腐蝕，使機(jī)架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)盡量少修理。7、有導(dǎo)軌的機(jī)架要求機(jī)架導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性良好。在網(wǎng)上參考了眾多四軸機(jī)架，初步選定DJIF330四軸紅白色飛行器機(jī)架作為我們支架的模型，再根據(jù)工況要求、剛度要求、強(qiáng)度要求以及穩(wěn)定性要求進(jìn)行一定的改造。,該機(jī)架特點(diǎn):1、出口玻纖維板CNC切割而成，精度高,高強(qiáng)度機(jī)架設(shè)計(jì)；2、支架采用鋁方管強(qiáng)度高適合飛行結(jié)實(shí)，維修容易，飛行成本低；3、適合十字型和X型四軸飛行，長(zhǎng)度480MM擁有優(yōu)秀的穩(wěn)定性能；4、能輕松完成空翻、刷鍋等特技動(dòng)作，簡(jiǎn)單操作；5、機(jī)架兼容性強(qiáng)，可直接安裝減震腳架航拍云臺(tái)；基本信息：-DJIF330四軸紅白色飛行器機(jī)架-機(jī)架重量156g-電機(jī)中心距450mm-起飛重量800g1400g,2、電機(jī)固定支架設(shè)計(jì):選用鋁制無(wú)刷12mmFiberGlassTub,玻纖維CNC制造,6061鋁制材料,適用于12mm碳纖維管,重量為9克,可以適用于大電機(jī)的固定,價(jià)格適中。,3、攝像機(jī)支架設(shè)計(jì)攝象機(jī)支架需要提供攝象機(jī)穩(wěn)定的照相環(huán)境，而且能提供照相機(jī)360度的航拍空間，在保護(hù)它不受外界影響外，能夠有一定角度旋轉(zhuǎn)，速率平緩不需要太敏捷，該設(shè)支架設(shè)計(jì)材料需要強(qiáng)度高且重量輕，選用型號(hào)：PTZ-C02的航拍云臺(tái)，重量?jī)H80g，（含舵機(jī)），具備俯仰、滾轉(zhuǎn)兩軸控制功能，可搭載卡片式數(shù)碼相機(jī)，相機(jī)架寬度100mm。,4、起落架設(shè)計(jì)起落架的作用是提供飛行器的豎直支撐并保持飛行器的平衡狀態(tài)。即使在降落的時(shí)候，也能夠保證飛行器整體的平衡并有緩沖的作用，使飛行器每次降落時(shí)不會(huì)因?yàn)閼T性的影響而使零件以及裝置散落?；⌒徒Y(jié)構(gòu)能夠更好的使起落架擁有更好的減震緩沖的功能。根據(jù)力矩力臂力，中間部分過(guò)于窄，力臂小了，受的力就大了，因此長(zhǎng)度要取長(zhǎng)一點(diǎn)，才能使受的力減小。（可以使用MK腳架套件，鋁合金加塑膠起落架）,起落架設(shè)計(jì)圖,5、主要參數(shù)翼展：450mm平均翼旋長(zhǎng)：125mm機(jī)身全長(zhǎng)：450mm展旋比：3.6,子系統(tǒng)的功能,四旋翼飛行器的動(dòng)力子系統(tǒng)是飛行器硬件構(gòu)成的主要部分，為飛行器飛行提供硬件方面的動(dòng)力支持。該動(dòng)力子系統(tǒng)主要包括螺旋槳，電機(jī)，電調(diào)，電池。,子系統(tǒng)功能模塊說(shuō)明,電調(diào)，全稱是電子調(diào)速器，根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成各種指令。電調(diào)的功效就是控制電機(jī)，完成規(guī)定速度、動(dòng)作。電機(jī)，俗稱“馬達(dá)”是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為飛行器提供動(dòng)力源。電池，為動(dòng)力系統(tǒng)提供能量來(lái)源。螺旋漿，四個(gè)動(dòng)力組旋翼通過(guò)不同方向旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行飛行、懸停、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作的飛行結(jié)構(gòu)。四個(gè)旋翼作為直接動(dòng)力源，對(duì)稱分布在主體四個(gè)方向，且旋翼處于同一水平面，旋翼半徑、規(guī)格都相同。通過(guò)不同方位的旋翼轉(zhuǎn)速不同達(dá)到不同的升力從而改變飛行器的狀態(tài)和位置變化。,選型依據(jù),電池：電池有鎳氫電池和鋰電池。鋰電池的電流釋放量C系數(shù)普遍比鎳氫電池大，而且比較恒定，因此選擇鋰電池。電池的選擇主要看兩個(gè)性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飛行器的續(xù)航能力就越長(zhǎng)。但容量越大的電池其重量就越重，因此容量選擇既需要滿足有一定的續(xù)航能力，且較輕。電池有最大放電能力，其最大持續(xù)電流計(jì)算公式是：容量*放電C數(shù)例如:1500MA,10C,則最大的持續(xù)電流就是=1.5X10=15安如果該電池長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)15安或以上電流工作，那么就會(huì)對(duì)電池有損害。電池的最大放電能力要以電機(jī)的最大功率時(shí)電流為標(biāo)準(zhǔn)。比如電機(jī)的最大功率運(yùn)行時(shí)是30A，那么電池的最大的持續(xù)電流就要大于30A。放電C數(shù)的值越大越好。以最大功率運(yùn)行時(shí)電流為30A的電機(jī)為例，如果是15C1500MA的電池供電，則最大的持續(xù)電流就是15C2.2*15=33A，剛好能滿足電機(jī)要求。但如果是20C的電池,那么可以以:2.2*20=44A的電流放電機(jī)最大功率時(shí),電流只有30A,這個(gè)電池可以44A來(lái)放電,無(wú)疑,電池會(huì)更加輕松。馬達(dá)也是一直以最大功率來(lái)運(yùn)行!這樣獲得的動(dòng)力將是非常滿意的。,電機(jī)：俗稱“馬達(dá)”。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為飛行器提供動(dòng)力源。首先電機(jī)選擇無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)比有刷電機(jī)優(yōu)越許多。電機(jī)可以參考的參數(shù)有許多，但在選擇為飛行器裝配的電機(jī)時(shí)主要看的參數(shù)是KV值，最大功率，最大拉力。電機(jī)KV值與轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：電機(jī)的轉(zhuǎn)速（空載）=KV值*電壓；例如1000KV的電機(jī)在10V電壓下它的轉(zhuǎn)速（空載）就是10000轉(zhuǎn)/min。并且電機(jī)的KV值越高，提供出來(lái)的扭力就越小。KV值越低，效率越高，在可承受的功率范圍內(nèi)，要達(dá)到同樣的拉力，KV值低的電機(jī)，消耗的電流要遠(yuǎn)小于KV值高的電機(jī)。另外，KV值的選擇就與漿有著密切的關(guān)系，因此KV值要與漿的選型配合好。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)選擇較小的KV值以獲得較大的扭矩。功率的選擇首先要確定負(fù)載的總重量，計(jì)算所需電機(jī)功率。在電動(dòng)直升機(jī)里，安照1W功率帶起4g重量計(jì)算的話，比如450飛機(jī)按照起飛重量（含電池）是800g計(jì)算，實(shí)際所需的功率是800/4=200w。,電調(diào)：電調(diào)的就是用于在內(nèi)部調(diào)整電流，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電調(diào)的選型比較簡(jiǎn)單，一般能滿足馬達(dá)峰值功率的電調(diào)的可以了。比如一個(gè)馬達(dá)峰值輸出電流時(shí)30A，那么電調(diào)起碼要30A以上。螺旋漿：螺旋漿的參數(shù)主要有直徑。漿的選型要與電機(jī)搭配好。首先介紹漿型號(hào)數(shù)字所代表的意義：比如1060漿，10代表長(zhǎng)的直徑是10寸，60表示漿角（螺距)，即前兩位數(shù)表示直徑，后兩位表示螺距。根據(jù)網(wǎng)上一些飛行器玩家提供的資料，一般電機(jī)與漿是這樣配的：3S電池下KV900-1000的電機(jī)配1060或1047漿，9寸漿也可KV1200-1400配9050（9寸漿）至8*6漿KV1600-1800左右的7寸至6寸漿KV2200-2800左右的5寸漿KV3000-3500左右的4530漿2S電池下KV1300-1500左右用9050漿KV1800左右用7060漿KV2500-3000左右用5X3漿KV3200-4000左右用4530漿另外，漿相對(duì)越大在產(chǎn)生推力的效率就越高。但特別要注意的是，不能用大漿配高KV的電機(jī)，否則燒電機(jī)還影響了電池，有可能連電調(diào)也燒掉。,選型,經(jīng)考慮選擇：電機(jī)用朗宇2212-KV980的，電調(diào)用好贏30A的奔騰版，螺旋槳用GEMFAN四軸專用9寸正反慢速槳9047，電池Redzonelipo35C3300mAh11.1V四旋翼飛行器鋰電池,設(shè)計(jì)目標(biāo),隨著城市交通問(wèn)題日益顯現(xiàn)，城市交通綜合信息平臺(tái)、全球定位與車載導(dǎo)航系統(tǒng)、城市公共交通車輛以及出租車的車輛指揮與調(diào)度系統(tǒng)、城市綜合應(yīng)急系統(tǒng)都將迎來(lái)極大的發(fā)展機(jī)遇。四旋翼飛行器是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的飛行器，它具有垂直起降，懸停，高機(jī)動(dòng)性飛行的特點(diǎn)。而它也因此具有了在軍用及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，如GIS信息采集，搜救，戰(zhàn)場(chǎng)偵察等多種功能。而我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了減輕城市的交通問(wèn)題本次我的分工任務(wù)為設(shè)計(jì)出該四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)，為動(dòng)力系統(tǒng)及無(wú)線傳輸系統(tǒng)的運(yùn)作搭載一個(gè)平臺(tái)，其中我會(huì)選擇更多型號(hào)進(jìn)行相比從而得到更加適用的材料來(lái)滿足我們飛控系統(tǒng)硬件的需要，我也根據(jù)實(shí)際情況去設(shè)計(jì)出滿足飛行器各種姿態(tài)需求,需求分析,我們的設(shè)計(jì)的用途主要是航拍公路交通，野外搜救等等。也能應(yīng)用于電子警察執(zhí)法處罰系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)車超速檢測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)車輛稽查系統(tǒng)、車流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且基于四旋翼飛行器的移動(dòng)監(jiān)察系統(tǒng)具有維護(hù)簡(jiǎn)便，覆蓋力強(qiáng)，靈活隱蔽等特點(diǎn)?？傮w而言，城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)將表現(xiàn)為綜合化、多部門驅(qū)動(dòng)型的發(fā)展模式。由于城市智能交通體系將涉及相關(guān)的市民、公安交通管理、交通部門車輛管理、城市建設(shè)、通信等相關(guān)部門工作，因而未來(lái)城市智能交通的發(fā)展過(guò)程必然是一個(gè)涉及以交通與公安為主的多部門驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。因此，本設(shè)計(jì)的需求必將隨著智能城市交通系統(tǒng)的成熟有日漸寬泛的需求。,功能設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)要求四旋翼飛行器能夠根據(jù)巡檢要求在人工操作的干預(yù)之下自動(dòng)進(jìn)行飛行，能進(jìn)行垂直上升前行后退旋轉(zhuǎn)等各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，并且具備以下三個(gè)特點(diǎn)：可靠性高易操作，易維護(hù),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主控單元-單片機(jī)ATMEGA644這個(gè)單片機(jī)采用的是JTAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口接口復(fù)雜性小，減少了系統(tǒng)外部接口，線路的減少為控制系統(tǒng)的安全性。,主要參數(shù),參數(shù)與規(guī)格I/O和封裝32可編程I/O線40-pinPDIP,44-leadTQFP,和44-padQFN/MLF工作電壓1.8為-5.5VATmega164/324/644V2.7為-5.5VATmega164/324/644速度等級(jí)ATmega164/324/644V:0-4MHz1.8-5.5V,0-10MHz2.7-5.5VATmega164/324/644:0-10MHz2.7-5.5V,0-20MHz4.5-5.5V電力消費(fèi)在1MHz,3V,25C為ATmega644活動(dòng)：240A1.8V,1MHz掉電模式：0.1A1.8V因此可以看出采用ATmega164能夠更好的符合我們這個(gè)四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)。,與其他單片機(jī)對(duì)比,優(yōu)點(diǎn),一非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器系統(tǒng)內(nèi)16/32/64K字節(jié)自編程閃存耐力：10,000寫/擦除周期可選引導(dǎo)具有獨(dú)立鎖定Bits代碼段在系統(tǒng)編程的片上引導(dǎo)程序真Read-While-Write操作512B/1K/2K字節(jié)的EEPROM耐力：100,000寫/擦除周期1/2/4K字節(jié)的片內(nèi)SRAM,二高級(jí)RISC建筑131條指令絕大多數(shù)為單時(shí)鐘周期執(zhí)行32x8通用工作寄存器全靜態(tài)工作高達(dá)20吞吐量在MIPS20MHz片2-cycle乘數(shù)三JTAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口邊界掃描功能根據(jù)JTAG標(biāo)準(zhǔn)廣泛的片上調(diào)試支持編程閃存，EEPROM，熔絲位和鎖定Bits通過(guò)JTAG接口,軟件結(jié)構(gòu),四旋翼飛行器的軟件部分主要包括兩大部分：飛行控制系統(tǒng)軟件部分和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件部分。在此，給出飛行器的總體軟件流程圖,開發(fā)環(huán)境,作為飛行器的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，我的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于CCS集成開發(fā)環(huán)境，采用PID算法小擾動(dòng)法的線性PID控制小擾動(dòng)法的基本思路是把飛機(jī)的一般運(yùn)動(dòng)分為基本運(yùn)動(dòng)和擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分。在理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行線性化，在擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)小偏離理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的情況下，將那些高階小項(xiàng)作為小量略去，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行降階處理使之變成線性方程。,集成方案,單片機(jī)采用TAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口，可以用電線連接動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)），給動(dòng)力系統(tǒng)的指令處理提供了平臺(tái)。,測(cè)試方案,對(duì)單片機(jī)的RAM采取測(cè)試基于種子和逐位倒轉(zhuǎn)的測(cè)試方法主要是使用全O和全1兩個(gè)背景數(shù)來(lái)移位展開的，與MARCHG算法相比獲得的故障覆蓋率稍微低些，但使用了較少的地址單元。這里我們把背景數(shù)稱為“種子”。以地址線為8根的RAM為例，種子分別取00000000和11111111兩個(gè)數(shù)，取00000000、11111111、0000llll和llll0000四個(gè)數(shù)，以及取00000000、11111111、00001111、11110000、00110011、1100llOO、01010101和10101010八個(gè)數(shù)來(lái)移位展開測(cè)試，所達(dá)到的故障覆蓋率是不一樣的。種子數(shù)為2的改進(jìn)方法要低于MARCHG算法的故障覆蓋率，種子數(shù)為4的改進(jìn)方法與MARCHG算法相當(dāng)，種子數(shù)為8的改進(jìn)方法能夠超過(guò)MARCHG算法的效果。整體上基于種子和逐位倒轉(zhuǎn)的改進(jìn)方法是可以代替MARCHG算法的，但是種子數(shù)目不同所需要的尋址次數(shù)也是不同的。設(shè)地址線為n根，種子數(shù)為2時(shí)需要訪問(wèn)RAM共計(jì)4”+4次，種子數(shù)為4時(shí)需要訪問(wèn)RAM共計(jì)8n+8次，種子數(shù)為8時(shí)需要訪問(wèn)RAM共計(jì)16n+16次，而MARCHG算法需要訪問(wèn)RAM共計(jì)62n次。可見(jiàn)，基于種子和逐位倒轉(zhuǎn)的改進(jìn)方法比MARCHG算法的測(cè)試時(shí)間開銷大大降低。同時(shí)，故障覆蓋率會(huì)隨著種子數(shù)目的增加而提高，當(dāng)然不同種子數(shù)時(shí)所需要的測(cè)試時(shí)間開銷也不同。最后經(jīng)測(cè)驗(yàn)RAM的數(shù)據(jù)導(dǎo)入與寄存不存在問(wèn)題。,需求分析,此次設(shè)計(jì)以四旋翼飛行器為研究對(duì)象，最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器自主飛行，并完成定點(diǎn)飛行與飛行避障等任務(wù)。飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)是該飛行器的核心，它決定著四旋翼飛行器的各種飛行性能的優(yōu)劣。因此在設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)，必須全面綜合分析結(jié)果和過(guò)程，考慮到四旋翼飛行器的體積不大，在器件選型時(shí)應(yīng)該優(yōu)先選取重量輕、體積小、功耗低的產(chǎn)品;另外，為了日后升級(jí)的便利性，模塊化，接口標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)該始終貫穿在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中。,飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)基本工作原理,飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)決定著四旋翼飛行器的各種飛行性能的優(yōu)劣。由四旋翼飛行器的飛行原理可以歸結(jié)出飛行控制系統(tǒng)由測(cè)量裝置(各類傳感器)、飛行控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)、被控對(duì)象等部分組成。,傳感器用來(lái)測(cè)量四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)信息主控制器根據(jù)這些傳感器反饋回來(lái)的狀態(tài)信息、預(yù)先給定的狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線輸入的控制指令信息進(jìn)行處理，這些信息經(jīng)過(guò)控制器處理后轉(zhuǎn)變成能夠被控制系統(tǒng)識(shí)別的有效信息飛行控制器根據(jù)這些傳感器反饋回來(lái)的飛行狀態(tài)信息、預(yù)先給定的狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線電輸入的控制指令信息進(jìn)行處理，來(lái)計(jì)算出控制電機(jī)的輸出信息。,飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì),整個(gè)飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)可以分為地面和機(jī)載兩大部分，主要分為五個(gè)模塊，分別為：傳感器模塊、四電機(jī)控制模塊、中央控制器模塊、無(wú)線傳輸模塊和地面終端。,飛行控制系統(tǒng)機(jī)載部分結(jié)構(gòu)圖,傳感器模塊,小型四旋翼飛行器在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)由6個(gè)物理量來(lái)描述，包括在三維坐標(biāo)中的3個(gè)位置量和沿3個(gè)軸的姿態(tài)量(即稱為六自由度)。傳感器作為一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。因此傳感器模塊是為四旋翼飛行器的飛行控制提供各種飛行參數(shù)的裝置，包括測(cè)量機(jī)身三軸角速率的陀螺儀、測(cè)量機(jī)身三軸線加速度的加速度計(jì)、測(cè)量機(jī)身航向及姿態(tài)信息的羅盤等。在測(cè)量過(guò)程中由于陀螺儀存在溫漂和數(shù)字羅盤受周圍磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)得的姿態(tài)信息并不準(zhǔn)確，因此將陀螺儀、加速度計(jì)和數(shù)字羅盤結(jié)合起來(lái)獲取準(zhǔn)確的偏航角、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角信息。,中央控制器模塊,中央控制器模塊是飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)的核心計(jì)算部件，也叫飛行控制計(jì)算機(jī)，它在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和光電碼盤測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成一系列復(fù)雜的算法，得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，結(jié)合無(wú)線模塊傳送的控制指令，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行，并將遙測(cè)信息通過(guò)無(wú)線通訊模塊傳送到地面控制站。,各模塊關(guān)系,飛行控制程序流程圖,主控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)解算出飛行器的姿態(tài)；慣性測(cè)量單元（傳感器模塊）用于檢測(cè)機(jī)體坐標(biāo)系下三個(gè)軸的角速度和加速度；電機(jī)控制模塊在系統(tǒng)中的地位是非常重要的，其中電源模塊為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供動(dòng)力源，四電機(jī)控制模塊根據(jù)中心控制模塊指令驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速，將電機(jī)的速度通過(guò)測(cè)速反饋裝置反饋給中央控制器，利用閉環(huán)控制來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速為預(yù)期值，從而實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器不同的飛行狀態(tài)。,機(jī)構(gòu)與選型設(shè)計(jì)及其開發(fā)環(huán)境,硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：根據(jù)四旋翼飛行器體積小、載重少、自主飛行等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)有了一些要求，如所選的電池要輕、數(shù)據(jù)的傳輸要迅速且準(zhǔn)確等。而整個(gè)飛行控制系統(tǒng)包括三個(gè)模塊，分別為傳感器模塊、電機(jī)控制模塊和中央控制器模塊。,傳感器模塊,傳感器是用來(lái)測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)及位置信息的，能夠?yàn)轱w行控制模塊提供原始數(shù)據(jù)，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)量出的信息生成使飛行器穩(wěn)定飛行的控制指令，然后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終完成。因此這是十分重要的一個(gè)模塊，應(yīng)用于飛行器的傳感器主要有以下幾種，分別是：1.慣性測(cè)量單元模塊2.磁航向計(jì)3.DGPS,1.慣性測(cè)量單元模塊：內(nèi)裝有三軸的陀螺儀和三個(gè)方向的加速度計(jì)，加速度計(jì)用來(lái)感受飛機(jī)相對(duì)于地垂線的加速度分量，陀螺儀用來(lái)感受飛機(jī)的角度信息并以此解算出物體的姿態(tài)。2.磁航向計(jì)：磁航向計(jì)也叫磁羅盤，利用地磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量航向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、信號(hào)易處理、成本低，是一種常規(guī)的航向測(cè)量方法，較適合應(yīng)用于無(wú)人機(jī)，但磁航向計(jì)信號(hào)時(shí)間較長(zhǎng)。3.DGPS：DGPS是英文DifferenceGlobalPositioningSystem的縮寫，即差分全球定位系統(tǒng)，方法是在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS監(jiān)測(cè)接收機(jī)，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離改正數(shù)。該差值通常稱為PRC（偽距離修正值），基準(zhǔn)站將此數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)作誤差修正，從而提高了定位精度。,通過(guò)對(duì)三種傳感器的比較，DGPS對(duì)設(shè)備要求太高，磁航向計(jì)信號(hào)處理時(shí)間太長(zhǎng)，故決定選用慣性測(cè)量單元模塊作為飛行器的傳感器，這姿態(tài)測(cè)量方法綜合了加速度計(jì)和陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)，成本低、探測(cè)精度高，而且傳輸速率在這三種方式里是最高的。但由于在慣性導(dǎo)航算法中，導(dǎo)航參數(shù)會(huì)隨著傳感器的測(cè)量誤差積累而發(fā)散，因而不能滿足長(zhǎng)時(shí)間自主飛行的需要，故選用羅盤對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)。,陀螺儀：ST公司的角速率陀螺儀L3G4200D，該陀螺測(cè)量最大精度達(dá)到2000/s，且有三種靈敏度可調(diào)。其工作電壓為5V。提供精確的參考電壓和溫度輸出的補(bǔ)償技術(shù)，可以使其靈敏度達(dá)到70mV/s，并具有自檢功能。加速度計(jì)：ADI公司生產(chǎn)的ADXL345，這款加速度計(jì)最大可以感知16g的加速度，感應(yīng)精度可達(dá)3.9mg/LSB，傾角測(cè)量典型誤差小于1，可以通過(guò)其內(nèi)置的ADC將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存放的片內(nèi)緩沖區(qū)，使用SPI總線讀取數(shù)據(jù)。數(shù)字羅盤：霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤HMR3300，采用UART協(xié)議通信，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路之后可以和處理器的SCI口通信，并且自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便與微處理器直接通信。HMR330O包含了單軸/雙軸磁阻傳感器HMCI021/HMclo22，兩者正交安裝，并通過(guò)雙軸加速度計(jì)補(bǔ)償，提高了其傾斜測(cè)量范圍，從而使有效測(cè)量范圍到達(dá)土60(俯仰、橫滾)。,中央控制器模塊,中央控制模塊即飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)的核心處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)角速率(俯仰角速率、橫滾角速率和偏航角速率)、三軸的線加速度和航向信息并實(shí)時(shí)解算；根據(jù)檢測(cè)到的飛行信息，結(jié)合既定的控制方案，計(jì)算輸出控制量；通過(guò)無(wú)線通信模塊與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)接收控制命令改變飛行狀態(tài)和下傳飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。飛行處理器的類型主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、ARM及DSP,通過(guò)對(duì)上述三種處理器的比較，并基于開發(fā)難易程度、成本、處理器性能等因素，決定選用32位ARM處理器，并且可以內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的控制方式相比，外設(shè)資源更豐富，性能更好。型號(hào)方面則采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARMCortexM3內(nèi)核。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)角速率、三軸的線加速度和航向信息并實(shí)時(shí)解算；根據(jù)檢測(cè)到的飛行信息，計(jì)算輸出控制量；然后通過(guò)尢線通信模塊與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)接收控制命令改變飛行狀態(tài)。,軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),四旋翼飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是啟動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊并使之正常工作，按照既定規(guī)劃實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。此次設(shè)計(jì)的飛行器軟件系統(tǒng)是運(yùn)用模糊PID控制算法對(duì)飛行器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并且采用C語(yǔ)言編寫。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，使程序方便調(diào)試，易于擴(kuò)展，主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊和電機(jī)控制模塊。,中央控制模塊：在中央處理器(ARM)中執(zhí)行，完成系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自檢、定時(shí)、解算傳感器數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息解算、執(zhí)行控制算法、計(jì)算并輸出控制量、協(xié)調(diào)與地面站之間的上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋粩?shù)據(jù)采集模塊：角速率陀螺、加速度計(jì)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換提取直升機(jī)角速度和線加速度信息；數(shù)字羅盤通過(guò)UART串口通信提取航向信息；電機(jī)控制模塊：通過(guò)解算飛行姿態(tài)信息和路徑規(guī)劃輸出PwM控制量協(xié)調(diào)控制四個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。,模糊PID控制算法,PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。,PID算法控制原理,模糊控制器的簡(jiǎn)介,模糊控制是一種非線性智能控制，它非常適合于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和大系統(tǒng)控制過(guò)程，特別是在純滯后、大慣性、參數(shù)漂移大的非線性、不確定分布參數(shù)系統(tǒng)中，經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論是難以湊效的；但是采用模糊控制可取得令人滿意的成果。,模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程描述如下：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E，一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量(如果是兩輸入系統(tǒng)，一般以E和E的微分作為兩個(gè)輸入量)。把誤差信號(hào)E的精確量進(jìn)行模糊化，變成模糊量。誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示，得到誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e(e是一個(gè)模糊矢量)，再由e和模糊控制規(guī)則e(模糊算子)根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量。,模糊控制的基本原理框圖,模糊PID自整定控制器結(jié)構(gòu)圖,該系統(tǒng)是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，將輸入量e和ec(輸入量e的微分)經(jīng)模糊化處理，利用知識(shí)庫(kù)中的控制規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊推理和清晰化接口輸出，對(duì)PID參數(shù)Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定。再由PID控制器給出控制信號(hào)，對(duì)被控對(duì)象實(shí)行有效的控制，使之達(dá)到給定的要求。,設(shè)計(jì)思路,運(yùn)用PID控制算法對(duì)飛行器控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要思路就是先建立研究對(duì)象的方程，找出狀態(tài)向量、輸入等，然后代入PID控制器的控制規(guī)律中，得出控制規(guī)律中各參數(shù)的的值，從而計(jì)算出PID的控制參數(shù)，就可以用于直接控制系統(tǒng)。,各模塊軟件設(shè)計(jì),中央控制模塊：飛行控制檢測(cè)系統(tǒng)的中央控制模塊主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、解算傳感器數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息解算、執(zhí)行控制算法、計(jì)算并輸出控制量等功能。中央控制模塊選擇CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境，CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具。它是一個(gè)單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。在每個(gè)所支持的平臺(tái)上，性能及使用均是相同的，無(wú)需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。中央控制模塊系統(tǒng)的軟件開發(fā)是基于CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境的，并采用C語(yǔ)言編寫。,CodeWarrior軟件開發(fā)流程,數(shù)據(jù)采集模塊：STM32內(nèi)嵌2個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)ADC有多達(dá)16個(gè)外部通道。傳感器模塊中，羅盤的輸出為數(shù)字信號(hào)，陀螺儀和加速度傳感器的輸出信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量，才能進(jìn)行下一步處理。而陀螺儀和加速度計(jì)信號(hào)的采集，可以通過(guò)ARM自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。陀螺測(cè)量的角速率信號(hào)經(jīng)過(guò)引腳進(jìn)入ARM，加速度計(jì)測(cè)量的線加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)引腳進(jìn)入ARM，數(shù)字羅盤則通過(guò)UART串口通信提取航向信息（需要通過(guò)串口調(diào)試來(lái)進(jìn)行初始化設(shè)置，包括輸出模式設(shè)置，波特率設(shè)置等）。ADC模塊工作在同步采樣模式下，可以同時(shí)采樣角速率和線加速度，采樣結(jié)果存放在ADC的結(jié)果寄存器中。,流程設(shè)計(jì),機(jī)械系統(tǒng)部分包括機(jī)架、結(jié)構(gòu)，是四旋翼飛行器的框架，有了這個(gè)框架以后，一切的模塊才能組合在一起；動(dòng)力控制系統(tǒng)部分則是為整個(gè)飛行器的提供動(dòng)力源，提供飛行器能夠正常工作的動(dòng)力；控制單元部分和飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)部分則是為飛行器采集信息（位姿、速度、圖像）及處理信息，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分與地面控制之間交換機(jī)載部分與地面部分的信息（通過(guò)SPI接口），而機(jī)載部分之間的信息交換是通過(guò)將信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的pwm信號(hào)來(lái)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路之后可以STM32的SCI口通信。地面終端能夠處理從機(jī)載部分傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)及信息，并發(fā)出控制指令，通過(guò)無(wú)線傳輸部分傳送到機(jī)載部分的控制器，再由控制器調(diào)控機(jī)載部分其他模塊的工作。,測(cè)試方案,利用Matlab中的仿真Simulink工具箱，對(duì)設(shè)計(jì)的飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。進(jìn)行了Matlab仿真測(cè)試前，還必須進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作。首先要檢查零件是否損壞，線路是否有短路、斷路、走線丟失、亂竄等問(wèn)題。確保無(wú)誤后，即可進(jìn)行仿真測(cè)試。流程如下：1.進(jìn)行Simulink的平衡點(diǎn)求取2.以此平衡點(diǎn)為基礎(chǔ)，建立一個(gè)線性模型。3.給定飛行器俯仰通道模型的六個(gè)狀態(tài)變量的初始值，進(jìn)行飛行仿真，建立標(biāo)準(zhǔn)飛行軌跡4.利用Matlab進(jìn)行模型線性化5.利用SISO進(jìn)行滾動(dòng)通道姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.利用NCD進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用Matlab進(jìn)行飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，可以使飛行器控制檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在完整設(shè)計(jì)出來(lái)前就能夠滿足要求。,四旋翼飛行器是一種具有六個(gè)自由度和四個(gè)輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直升機(jī)，具有不穩(wěn)定、非線性、多變量、強(qiáng)耦合特性。其飛行是通過(guò)控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主控制器根據(jù)慣性傳感器測(cè)量的信息解算出飛行器的姿態(tài)，然后按照一定的控制算法得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)總線發(fā)送給電機(jī)調(diào)速器（簡(jiǎn)稱電調(diào)），調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制飛行器的姿態(tài)。姿態(tài)控制是整個(gè)飛行控制的重要組成部分，控制系統(tǒng)功能應(yīng)包括：傳感器對(duì)姿態(tài)、位置信息的檢測(cè)，傳感器數(shù)據(jù)的傳輸和主控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理等。根據(jù)四旋翼飛行器的特點(diǎn)和實(shí)際的飛行需求，飛行控制系統(tǒng)的主要模塊包括主控制器、傳感器模塊、電機(jī)控制模塊以及電源模塊等，如下圖所示。主控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)解算出飛行器的姿態(tài)。慣性測(cè)量單元用于檢測(cè)機(jī)體坐標(biāo)系下三個(gè)軸的角速度和加速度，超聲波測(cè)距傳感器用于測(cè)量飛行器距離地面的高度。電源模塊在系統(tǒng)中的地位是非常重的，為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供動(dòng)力源。,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.主控制器選型：TMS320F103RCT6精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速具有1.50MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADCSTM32F103VB具有精度較高，成本低，功耗小，性能好的特點(diǎn)基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器,具有1.25MHz的處理能力，擁有USB、USART、SPI、I2C等共9個(gè)外設(shè)接口，但是位數(shù)和通道數(shù)不多,最后我們選擇的是TMS320F103RCT6,2.慣性傳感器的選型四軸飛行器具有6個(gè)自由度,需要測(cè)量3個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度。目前市場(chǎng)上可獲得的慣性傳感器主要有日本村田公司的ENC03、ADI公司的ADXL系列等,可通過(guò)組合分立器件進(jìn)行3個(gè)軸向的測(cè)量。系統(tǒng)采用ADI公司的三軸慣性測(cè)量傳感器ADIS16355,它是一個(gè)完整的三軸陀螺和三軸加速度計(jì)組成的慣性感應(yīng)系統(tǒng),其內(nèi)核采用iMEMS傳感器技術(shù),內(nèi)置嵌入式處理器用于校準(zhǔn)和調(diào)諧,通過(guò)SPI數(shù)字接口輸出數(shù)據(jù)。ADIS16355具有以下特點(diǎn):(1)14位分辨率;(2)350Hz的帶寬;(3)靈敏度校準(zhǔn)和三軸正交校準(zhǔn),并在-4085溫度范圍內(nèi),對(duì)溫漂進(jìn)行補(bǔ)償。,3.高度傳感器的選型高度傳感器用于測(cè)量無(wú)人機(jī)離地面的高度,一般有紅外測(cè)距和超聲波測(cè)距兩種方式。,由上表可知,紅外測(cè)距傳感器的最大測(cè)量距離較小,四軸飛行器達(dá)到一定高度后紅外測(cè)距傳感器將會(huì)失效。超聲波傳感器的量程較大,但因其需要發(fā)送和接收超聲波,最小測(cè)量距離受到限制。SRF02超聲波傳感器通過(guò)單個(gè)探頭進(jìn)行收發(fā),尺寸較小,但其最小測(cè)量距離為15cm,不適合直升機(jī)在近地面飛行、起飛和降落過(guò)程中使用。而URM37則較好的綜合了上述兩款傳感器的優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用了URM37超聲波測(cè)距傳感器,它具有兩個(gè)探頭,分別用于發(fā)送和接受超聲波,最小測(cè)量距離和測(cè)量時(shí)間相SRF02都得到很大改善。,最后我們選擇的是URM37超聲波測(cè)距傳感器,位姿軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),導(dǎo)航位姿,控制算法PID控制是迄今為止最通用的控制方法，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是按偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)進(jìn)行的控制。大多數(shù)反饋回路用該方法或其變形來(lái)控制。PID控制器的控制算法為：,式中u(t)是PID控制器的輸出，e(t)是PID控制器的輸入，c是比例系數(shù)，Ti是積分時(shí)間常數(shù)，TD是微分時(shí)間常數(shù)。PID是以它的三種糾正算法而命名的。這三種算法的總和構(gòu)成操縱變量。,比例、積分和微分三項(xiàng)的控制是相互關(guān)聯(lián)的，三個(gè)控制項(xiàng)可以分別調(diào)節(jié)，也可以只采用其中一種或兩種控制項(xiàng)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，PID控制器各項(xiàng)的作用如下：1比例(P)控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，用來(lái)控制當(dāng)前。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)和一負(fù)常數(shù)P(表示比例)相乘，系統(tǒng)偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生與其成比例的控制作用，以減小偏差。比例控制反應(yīng)快，但對(duì)某些系統(tǒng)，可能存在穩(wěn)態(tài)誤差。加大比例系數(shù)Kp，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)減小，但穩(wěn)定性可能變差。2積分(I)控制：用來(lái)控制過(guò)去，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。誤差值是過(guò)去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。積分的控制作用主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分速度越慢，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。積分環(huán)可能使系統(tǒng)的頻帶變窄。積分控制通常與其它控制規(guī)律結(jié)合，組成PI控制器或PID控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。,3微分(D)控制：用來(lái)控制將來(lái)，計(jì)算誤差的一階導(dǎo)，并和一個(gè)負(fù)常數(shù)D相乘，最后和預(yù)定值相加。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用。但微分作用很容易放大高頻噪聲,降低系統(tǒng)的信噪比,從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)慎用微分控制。微分控制通常與其它控制規(guī)律結(jié)合，組成PD或PID控制器。PID參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益P，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間I，還可加大微分時(shí)間D。,在PID控制器中，比例參數(shù)的大小決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，恰當(dāng)與否決定了系統(tǒng)是否穩(wěn)定；積分參數(shù)的作用是消除四旋翼飛行器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，是否使用積分參數(shù)視是否有穩(wěn)態(tài)誤差而定；微分參數(shù)既可以使整個(gè)系統(tǒng)的相位提前，又可以消除飛行器抖動(dòng)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)每個(gè)四旋翼飛行器系統(tǒng)的情況，選擇合適的控制參數(shù)才能得到理想的飛行結(jié)果。,一：設(shè)計(jì)目標(biāo),我們小組根據(jù)以小型四旋翼飛行器來(lái)進(jìn)行道路交通巡檢系統(tǒng)為目標(biāo)，以道路交通流理論基本方法及多旋翼飛行器、機(jī)器視覺(jué)和無(wú)線通信等的基本知識(shí)、主要技術(shù)的認(rèn)識(shí)和理解為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)，其中我主要負(fù)責(zé)無(wú)線通訊與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)上行部分）。接下來(lái)我會(huì)詳細(xì)介紹我負(fù)責(zé)的內(nèi)容部分。,二：需求分析,2.無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的需求分析：無(wú)線通信系統(tǒng)的組成：發(fā)送設(shè)備+接收設(shè)備+傳輸媒體。（1）發(fā)送設(shè)備：換能器+發(fā)射機(jī)+天線（2）接收設(shè)備：接收機(jī)+接收天線+換能器（3）傳輸媒介：電磁波,二：需求分析,其中每個(gè)設(shè)備還要包括的內(nèi)容有高頻振蕩器、放大器、混頻或變頻以及調(diào)制與解調(diào)。無(wú)線電信號(hào)主要有三種:基帶（消息）信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。在四旋翼飛行器的專題里我們主要處理的信號(hào)是基帶信號(hào)，也稱消息信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，屬于表示信息的電信號(hào)。例如：話音、圖象信號(hào)（模擬信號(hào)）；數(shù)據(jù)、電報(bào)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）等。,二：需求分析,無(wú)線通信系統(tǒng)框圖,三：功能設(shè)計(jì),1.無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)：無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的功能是通過(guò)2.4G無(wú)線傳輸協(xié)議將四旋翼上搭載的攝像頭所拍攝下來(lái)的交通影像送達(dá)到地面控制系統(tǒng)，然后計(jì)算出某一時(shí)段的交通量。這樣可以及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地收集并預(yù)告前方道路的各類信息；對(duì)違法犯罪、治安事件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；對(duì)交通事故、交通擁堵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；對(duì)突發(fā)事件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮。,三：功能設(shè)計(jì),（a）2.4G無(wú)線傳輸協(xié)議：2.4GHz無(wú)線技術(shù)，是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，供開源使用。2.4GHz所指的是一個(gè)工作頻段，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間。2.4GHzISM（IndustryScienceMedicine）是全世界公開通用使用的無(wú)線頻段，這個(gè)頻段里是國(guó)際規(guī)定的免費(fèi)頻段，是不需要向國(guó)際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用的。在2.4GHz頻段下工作可以獲得更大的使用范圍和更強(qiáng)的抗干擾能力，目前廣泛應(yīng)用于家用及商用領(lǐng)域。它是一個(gè)全球性的頻段，開發(fā)的產(chǎn)品具有全球通用性，各種無(wú)線產(chǎn)品均可使用此頻段，目前廣泛用于無(wú)線鍵鼠及無(wú)線寬帶路由器等室內(nèi)場(chǎng)合。,三：功能設(shè)計(jì),（1）2.4G無(wú)線傳輸協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：它整體的頻寬勝于其他ISM頻段，這就提高了整體數(shù)據(jù)傳輸速率，允許系統(tǒng)共存，允許雙向傳輸，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)（短距離無(wú)線技術(shù)范圍）。2.4G無(wú)線技術(shù)還擁有理論上2M的數(shù)據(jù)傳輸速率，這就比藍(lán)牙的1M理論傳輸速率提高了一倍。2.4GHz無(wú)線電和天線的體積相當(dāng)小，產(chǎn)品體積也更小，從而使芯片更集中，減少耗電。因?yàn)?.4GHz無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，各廠家不斷推出新技術(shù)，也使此技術(shù)發(fā)展迅速。,三：功能設(shè)計(jì),（2）2.4G無(wú)線傳輸協(xié)議缺點(diǎn)：為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)、家庭和樓宇的自動(dòng)化控制，將人類從有線的環(huán)境中解放出來(lái)，以取代線纜為目標(biāo)，用于無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）范圍的短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到了迅速的發(fā)展，典型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、無(wú)線USB、無(wú)線局域網(wǎng)Wi-Fi等。在人們享受方便快捷的時(shí)候，這些技術(shù)的電磁兼容問(wèn)題日益凸現(xiàn)。由于這些技術(shù)均選擇了2.4GHz（2.42.483GHz）ISM頻段，再加上無(wú)繩電話和微波爐等干擾源，就使得該頻段日益擁擠。,四：結(jié)構(gòu)與選型,飛行器上的數(shù)據(jù)收發(fā)器：DTD433工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳模組。型號(hào)為DTD433B-L1（直接與電腦連接，參考距離1000m左右）；DTD433C-S4（RS232/485或TTL接口，參考距離2000m左右）。,四：結(jié)構(gòu)與選型,DTD433實(shí)體示意圖,四：結(jié)構(gòu)與選型,DTD433簡(jiǎn)介:采用無(wú)線電數(shù)字通信技術(shù)代替有線RS485網(wǎng)絡(luò)的可直接使用的模塊化產(chǎn)品。產(chǎn)品體積小巧，只要接入標(biāo)準(zhǔn)串口，24V直流電源即可工作。是能提供高性能、中等距離和可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡统杀窘鉀Q方案。DTD433系列無(wú)線數(shù)傳模組有RS485標(biāo)準(zhǔn)接口，透明傳輸，、可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，不需要編寫程序，不需要布線。,四：結(jié)構(gòu)與選型,供電電源:L型鋁合金外殼：直流電壓9V12V，電流大于1A，電源用戶提供；S型PVC塑料外殼：直流電壓9V24V，電流大于1A，電源由用戶提供.外殼尺寸：L型鋁合金外殼:539727m（LWH）S型PVC塑料外殼：1157460（LWH），35mmE型導(dǎo)軌卡槽安裝,四：結(jié)構(gòu)與選型,（c）配備：SMA型接頭天線：80mm螺旋SMA天線（可傳送較遠(yuǎn)距離）（d）工作環(huán)境：工作濕度10%90%（無(wú)冷凝），工作溫度-20-70（e）供應(yīng)商：西安達(dá)泰電子有限責(zé)任公司,五：流程設(shè)計(jì),（接上）：SMA型接頭的棒狀螺旋天線,五：流程設(shè)計(jì),接口方式，可直接與計(jì)算機(jī)串口、用戶的RS-485設(shè)備、單片機(jī)或其它UART器件連接使用。智能數(shù)據(jù)控制，用戶無(wú)需編制多余的程序：即使是半雙工通信，用戶也無(wú)需編制多余的程序，只要從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制等操作，DTD433自動(dòng)完成。,五：流程設(shè)計(jì),(c)各子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)與流程設(shè)計(jì):無(wú)線系統(tǒng)流程需要注意：射頻頻道的頻率決定射頻收發(fā)器所使用頻道的中心頻率。在速率為250kbps或1Mbps時(shí)，頻道占有的帶寬小于1M；在2Mbps時(shí)，所占帶寬小于2M。射頻收發(fā)器工作的頻率范圍2.4002.525GHz。為確保相互通信，發(fā)射器和接收器須在同一個(gè)頻率。,子系統(tǒng)的聯(lián)系示意圖,1.設(shè)計(jì)目的：,利用2.4G無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸方法在四旋翼飛行器上建立一個(gè)無(wú)線傳輸子系統(tǒng)。從而達(dá)到無(wú)線傳輸代替有線傳輸，將飛行器的數(shù)據(jù)從地面?zhèn)鬏數(shù)斤w行器上。最終的目的是為了控制飛行器的飛行。,2.需求分析：,選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)取代電纜和電線主要基于兩個(gè)原因：靈活性和節(jié)約成本。,3.功能設(shè)計(jì)：,作為飛行器中的一個(gè)傳輸系統(tǒng),無(wú)線傳輸系統(tǒng)就是為了起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?在地面與空中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,從而去控制飛行器的飛行.,4.結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)：,4.1DTD433數(shù)傳模組：DTD433工業(yè)級(jí)無(wú)線數(shù)傳模組是針對(duì)工業(yè)級(jí)用戶，采用無(wú)線電數(shù)字通信技術(shù)代替有線RS485網(wǎng)絡(luò)的可直接使用的模塊化產(chǎn)品。產(chǎn)品體積小巧，具有精美鋁合金或可導(dǎo)軌安裝的PVC塑料外殼，只要接入標(biāo)準(zhǔn)串口，24V直流電源即可工作。,4.11DTD433系列無(wú)線數(shù)傳模組命名規(guī)則：型號(hào)：DTD433_,DTD433A_L1表示距離300米左右，鋁合金外殼，USB口，可以與電腦U口直接連接。DTD433B_L3表示距離1000米左右，鋁合金外殼，RS232串口，可以與電腦串口直接連接。DTD433A_S2表示距離300米左右，塑料外殼，TTL電平串口，可以與單片機(jī)串口直接連接。DTD433C_S4表示距離2000米左右，塑料外殼，RS485接口，可以與RS485設(shè)備直接連接。,4.12DTD433無(wú)線數(shù)傳模組的技術(shù)指標(biāo),工作頻段：中心頻率433MHz，ISM頻段無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)調(diào)制方式：GFSK調(diào)制，高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)輸出功率：DTD433A10dBm(10mW)；DTD433B27dBm(500mW)；DTD433C30dBm(1000mW)通信接口：RS232/485或TTL接口；波特率：9600bps，根據(jù)客戶需求可提供其它參數(shù)；數(shù)據(jù)格式：8N1傳輸距離：DTD433A大于200米（空曠），可能超過(guò)500米；DTD433B大于1000米（空曠），可能超過(guò)2000米；DTD433B大于2000米（空曠），可能超過(guò)3000米供電電源:L型鋁合金外殼：直流電壓9V12V，電流大于1A，電源由用戶提供；S型PVC塑料外殼：直流電壓9V24V，電流大于1A，電源由用戶提供工作溫度：-3570，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能工作于各種惡劣環(huán)境外殼尺寸：L型鋁合金外殼：539727mm（LWH）S型PVC塑料外殼：1157460（LWH），35mmE型導(dǎo)軌卡槽安裝,5流程設(shè)計(jì)：DTD433數(shù)傳模組的使用方法DTD433X_S塑殼數(shù)傳模組與終端設(shè)備的連接,5.11外接電源DTD433X_S模組使用直流外接電源，電壓輸入范圍為924V，電流大于1A，電源由用戶提供?？梢耘c其它設(shè)備共用電源，但請(qǐng)選擇紋波系數(shù)較好的電源。,例如24V電源+連接JP1_12(VCC)，電源-連接JP1_11(GND),5.12外接指示燈LED1、LED2、LED3可作為狀態(tài)指示輸出，指示燈可選用發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的正極接LED1或LED2，負(fù)極連接信號(hào)地。,5.13與RS-232接口的設(shè)備連接DTD433_S模塊與RS232接口設(shè)備連接時(shí)，最典型的應(yīng)用就是連接電腦的串口（通