基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器設(shè)計

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)采用模塊構(gòu)造化設(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FreescaleKinites60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。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FreescaleKinites60為核心控制器，處理攝像頭OV7725采集的圖像信息后，把路徑信息反應(yīng)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。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)實時反應(yīng)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。關(guān)鍵詞：四旋翼自主飛行器，單片機，攝像頭循跡，超聲波，無刷電機ABSTRACTThesystemintendedtodesignandmakeafour-rotorautonomousvehicle,andtheintelligentmodeltrackeditswaybycamera.Atthesametime,thetrackingwayhadablacklineonthewhitebackground.Theprojectadoptedthemeasureofmodularstructuraldesign,includingflightcontrollingmodule,drivingmodule,powermodule,flighttrackingandheightdetectionsystemandsoon.ThedesigntookFreescaleKinites60MCUasdataprocessingandcontrollingcentral,andthesingleshipeffectivelyintegratedvariousmodulesintoawhole,ofwhichtheflightmoduleputtheSTM32F407ascontrollingcore,inordertoadjustautonomousvehicle’sflyingattitude.HowevertheflighttrackingmoduletookFreescaleKinites60ascorecontroller,whichdealtwiththeimageinformationcollectedbycamera,thenfeedbackpathinformationtoflightcontrollingmodulesothatthefour-rotorautonomousvehiclecouldflyaccordingtotheblackguidingline.Theultrasonicmodulegottheinformationoftheaircraftaltitudeandtransformedthemessagetoflightcontrollingmoduleastoadjustflyingattitudeandmetthedesignrequirement.Thetrackingmodule,ultrasonicmoduleandflightcontrolmoduleshouldmaintaininstantmunicationthroughtheserialport,thentheflightcontrollingmodulecontrolledESCtodrivefourbrushlessmotorandpletedautonomousstableflightbythereal-timefeedbackinformation.Keywords:four-rotorautonomousvehicle,MCU,cameratracking,ultrasonicmodule,brushlessmotor目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1概論21.1選題背景21.2國外飛行器的研究現(xiàn)狀21.3四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司21.4本研究的目的和意義21.5小結(jié)22系統(tǒng)總體設(shè)計方案22.1驅(qū)動模塊的論證與選擇22.2傳感器模塊的選擇22.2電源模塊的論證與選擇22.3飛行控制模塊的論證與選擇22.4攝像頭模塊的論證與選擇22.5高度檢測系統(tǒng)的論證與選擇22.6小結(jié)23系統(tǒng)理論分析23.1四旋翼飛行器的模型簡析23.2四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立23.3四旋翼飛行器上總的力和力矩23.4四旋翼飛行器力學(xué)控制原理23.5小結(jié)24硬件電路局部設(shè)計24.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計24.2電機驅(qū)動模塊24.3電源模塊24.4小結(jié)25系統(tǒng)設(shè)計軟件局部設(shè)計25.1程序設(shè)計總論25.2軟件開發(fā)工具簡介25.3程序流程圖25.4各模塊初始化25.5算法設(shè)計25.6小結(jié)26系統(tǒng)調(diào)試26.1軟硬件調(diào)試26.2通用排故方法26.3小結(jié)27參考文獻2致2附錄21概論1.1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“+〞形穿插排列的飛行器。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。由于MEMS傳感器、單片機、電機以及電池技術(shù)的開展與普及，人們對于四旋翼飛行器的研究參軍事領(lǐng)域到民用和商用領(lǐng)域都有涉及。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)的開展，運用先進的控制技術(shù)，使用無刷電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)油動力進展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。又由于四旋翼飛行器能夠在一塊電路板上實現(xiàn)多種功能且僅使用一塊電池，使得其設(shè)計簡潔，構(gòu)造合理緊湊，有助于提高電能的使用效率。由此，四旋翼飛行器的設(shè)計也朝著小型化、多樣化方向開展，應(yīng)用圍也在不斷地擴大[2]。四旋翼飛行器以其體積小，飛行靈活，在飛行時又有較強的防窺探能力，在軍事偵查方面的應(yīng)用空間很大；在民用、城市交通、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)巡察領(lǐng)域能發(fā)揮很大的作用[3]。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。隨著新型材料以及制造業(yè)的快速開展，四旋翼飛行器也朝著微型化的方向開展。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]。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的根底上，盡可能地解決現(xiàn)在沒有解決的問題，才能使無人機的研究與開展不斷向前行進。四旋翼飛行器所涉及的知識體系圍寬，而且其研究圍隨著研究的逐步深入仍在擴展，而對其中的*些存在的問題開展一局部前瞻性研究也正是本畢業(yè)設(shè)計的目的之一。1.2國外飛行器的研究現(xiàn)狀回憶歷史，全球第一架可載人飛行的飛機，于1903年由美國的萊特兄弟研制，人們對于四旋翼飛行器的探索也起源于那個時代，由于當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平低以及理論知識欠缺的原因，四旋翼飛行器沒有得到足夠快速的開展，直至20世紀(jì)膜，依然沒有多旋翼類飛行器被真正地設(shè)計[4]。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方案局(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)計并完成并試飛的是Breguet兄弟，GeorgeDeBothezat,EtienneOemichen以及D.H.Kaplan[5]。由于微機電系統(tǒng)傳感器、單片機、電機以及電池技術(shù)的突破，四旋翼飛行器的設(shè)計與研究得到了前所未有的開展。微型飛行器應(yīng)用圍寬廣，可作為低本錢的遙感平臺，全世界對飛行器的研制和投入也到達了新的高度[6]。1.2.1美國研制四旋翼飛行器的現(xiàn)狀微型飛行器是由DARPA率先提出和啟動研制。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)工程,投資進展系統(tǒng)研究或開展特種技術(shù)[7]。1998年4月,一種名為微星的微型飛行器方案由美國桑德斯提出。微星的設(shè)計參數(shù)參數(shù)為:翼展約15cm,質(zhì)量15g，具有自動飛行和錄像功能，采用手持式發(fā)射器發(fā)射或直接手拋發(fā)射。第一階段主要進展方案論證工作，包括對飛行器的動力系統(tǒng)、姿態(tài)感知系統(tǒng)、錄像系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等所有輔助設(shè)施進展了逐個測試。2000年9月制造出一種采用大容量電池、飛行穩(wěn)定、可錄像且運動靈活的微型飛行器[8]。Auburn大學(xué)和Lutroni*公司成功研制了一種新型的旋翼式飛行器機體:使用直升機布局,從外型上看為圓柱形,上部裝有旋翼,下部帶錄像機。目前設(shè)計出兩種機型，即共軸雙旋翼和單旋翼,都沒有尾漿調(diào)向。技術(shù)參數(shù)為：重300g，旋翼直徑10.16cm，可負(fù)載重量為100g，具有三個軸向穩(wěn)定調(diào)節(jié)、全球定位系統(tǒng)和120min續(xù)航時長[10]?！癊ntomopter〞撲翼式微型飛機由CaliforniaInstituteofTechnology和AeroVironment公司及UniversityofCalifornia聯(lián)合研制，共花費約180萬美元。機身構(gòu)造:采用撲翼布局,著重探索撲翼式飛行器可不可以像蜂鳥一樣垂直上下飛行，使其具有更好的隱身功能。技術(shù)參數(shù):翼展15.24cm，質(zhì)量為10g,采用鎳鎘可充電電池，在沒有遙控條件下飛行了18s，飛行距離46m，機翼能以20Hz的頻率扇動[11]。海軍研究實驗室研制的超小型干擾機:翼展(15.24～20.32)cm,質(zhì)量(50～100)g,飛行速度(32.18～64.36)km/h,飛行時間1200s,載重16g,研制目的是在敵人雷達上投放一個重約16g的雷達擾亂器。此飛行器由軍隊人員帶到距離目標(biāo)幾千米處手動發(fā)射[12]。1.2.2印度研制的微型直升飛機1997年1月26日在新德里舉行的閱兵式上，印度首次展示了航空研究院制造的NISHANT飛行器。技術(shù)參數(shù)：翼長0.75m，長度為120cm，質(zhì)量為300kg，負(fù)載45kg，采用德國制造的發(fā)動機，推進式螺旋槳，飛行高度為950m左右，續(xù)航時間300min。NISHANT飛行器系統(tǒng)主要包括飛行器、遙控臺和發(fā)射架。1.2.3中國的微型飛行器國局部高等院校和科研機構(gòu)正在開展微型飛行器的研究工作，研究成果主要有理工大學(xué)的智能機器人研究所、國防科技大學(xué)機器人實驗室和交通大學(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。理工大學(xué)的智能機器人研究所則從另一方面入手，通過對微型旋翼式四旋翼飛行器進展構(gòu)造與動力特性的分析，自行研制了一種微型旋翼式四旋翼飛行器。并在此原型機的根底上，基于PID控制算法，進展了不少姿態(tài)控制算法方面研究工作，也取得了一定的研究成果[16]。交通大學(xué)在微型無人機方面的研究主要表達在非線性控制、機器識別以及相似智能辨識等方面的研制。其微納米科學(xué)技術(shù)研究院曾制造出以直徑僅有0.2cm的微馬達作為動力的雙旋翼微型直升機。該研究院的科研人員在現(xiàn)有成功經(jīng)歷的根底上，正在研究能負(fù)載、可離地飛行的四旋翼微型飛行器[18]。1.3四旋翼飛行器的主要生產(chǎn)公司國際上比擬知名的四旋翼飛行器公司有中國大疆公司、法國Parrot公司、德國AscTec公司和美國3DRobotics公司。市大疆創(chuàng)新科技(DJI-Innovations，簡稱DJI)，成立于2006年，是全球領(lǐng)先的無人飛行器控制系統(tǒng)及無人機解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商，客戶遍布全球40多個國家。通過持續(xù)的創(chuàng)新，大疆致力于為無人機工業(yè)、行業(yè)用戶以及專業(yè)航拍應(yīng)用提供性能最強、體驗最正確的革命性智能飛行控制產(chǎn)品和解決方案。中國大疆創(chuàng)新科技在2013年初推出了一款售價高達1000美元的Phantom四翼直升機。該公司去年的銷公司、售額到達了1.30億美元，并預(yù)計今年還能再增長3倍之多。2014年11月26日，由大疆創(chuàng)新研發(fā)的航拍機新產(chǎn)品Inspire1在亮相，這也是被媒體稱為“迄今為止最酷的“無人機〞產(chǎn)品，首度在亞洲地區(qū)進展公開展示。1.4本研究的目的和意義本四旋翼飛行器控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)由攝像頭地面的道路信息進展循跡飛行功能。飛行器通過攝像頭采集的圖像分析出的道路信息指令，按照指定的軌跡飛行，同時具有感知當(dāng)前飛行姿態(tài)并自動調(diào)整的功能，此外具有遙控起飛和降落的功能。全部控制系統(tǒng)囊括電源模塊、攝像頭模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、控制器模塊。無線通信模塊接收遙控器傳來的控制信號，而后將控制信息傳遞給控制器模塊。傳感器模塊采用三軸加速度傳感器陀螺儀實時監(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。攝像頭模塊采集的圖像，通過單片機處理分析出的軌跡信息指令，按照指定的軌跡飛行，控制器模塊接收到攝像頭模塊、傳感器模塊和無線通訊模塊傳來的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)和實際姿態(tài)數(shù)據(jù)后完成一系列復(fù)雜的算法，得到當(dāng)前四旋翼飛行器的位置和姿態(tài)信息，計算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四個電機工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。本設(shè)計的主要設(shè)計任務(wù)是基于STM32系列單片機和FreescaleKinites60單片機設(shè)計并制作一臺四旋翼飛行器樣機，其中STM32系列單片機主要用來實現(xiàn)四旋翼飛行器的傳感器數(shù)據(jù)處理〔包括加速度、陀螺儀、氣壓計、超聲波等傳感器〕，姿態(tài)解算，超聲波定高，主要是實現(xiàn)控制模塊的功能；FreescaleKinites60單片機處理攝像頭數(shù)據(jù)，分析出路徑信息，并把路徑信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信息，并把相應(yīng)的控制信息傳輸給控制模塊，實現(xiàn)四旋翼飛行器的自主循跡功能，同時可以接收無線數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遙控起飛和降落的功能，主要實現(xiàn)的是圖像采集處理分析的功能。設(shè)計實現(xiàn)飛行控制器硬件，并調(diào)試完成四旋翼飛行器，該樣機通過攝像頭能夠循跡并在離地面一定的高度穩(wěn)定飛行，為后期的研究奠定根底。本文主要從如下幾個方面入手對四旋翼飛行器的設(shè)計進展詳細(xì)研究：(1)四旋翼飛行器原型樣機構(gòu)造與實現(xiàn)，飛行控制器硬件設(shè)計及實現(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)四旋翼飛行器運行狀態(tài)的采集和反應(yīng)；(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。工作重點在于基于多傳感器融合的動力學(xué)建模、姿態(tài)控制算法、控制系統(tǒng)軟硬件、攝像頭采集信號的調(diào)試、轉(zhuǎn)換和生成的設(shè)計與實現(xiàn)以及調(diào)試等。1.5小結(jié)本章首先介紹課題的選題背景，之后介紹了國外四旋翼飛行器的開展歷史以及研究現(xiàn)狀，隨后介紹了飛行器的主要生產(chǎn)公司，最后指出了本文的研究目的、方法及研究的重點容。2系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計主要采用ST公司生產(chǎn)的STM32F407作為系統(tǒng)的主處理器。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測到的姿態(tài)信息并實時解算，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FreescaleKinites60單片機計算輸出控制量；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展數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)飛行器的起飛、降落及飛行姿態(tài)和位置的調(diào)整。本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、無刷電機驅(qū)動模塊、電源模塊、攝像頭模塊、姿態(tài)測量模塊等五局部組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。飛行控制系統(tǒng)方框圖如圖2-1所示：圖2-1飛行控制系統(tǒng)方框圖2.1驅(qū)動模塊的論證與選擇四旋翼飛行器電機選型方案一：采用普通直流電機。普通直流電機有操作簡單、本錢低、質(zhì)量小等優(yōu)點，但其輸出扭矩較小，可控性能差，四旋翼飛行器要求控制精度高，響應(yīng)速度快，且重量要輕，所以普通直流電機無法滿足要求。方案二：采用新西達公司生產(chǎn)的A2212/13T1000KV無刷直流電動機。它在低KV值(1000-2000kv)，高電壓〔11.1V〕環(huán)境下有較高的轉(zhuǎn)速和較大扭力，且具有調(diào)速圍寬、效率高和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等優(yōu)點。它克制了普通直流電機的扭矩小的缺點，滿足系統(tǒng)精度控制要求及負(fù)載要求。綜合以上比擬論證，為保證四旋翼飛行器穩(wěn)定可靠的飛行，本系統(tǒng)采用方案二。電機驅(qū)動電路電機轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速是跟流過電機的電流有關(guān)，即跟加在兩端的電壓有關(guān)。但是單片機并不能輸出可調(diào)的直流電壓，而是用脈寬調(diào)制〔PWM〕方式來控制電機的輸入電壓。通過控制PWM調(diào)節(jié)占空比，實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速的效果，PWM占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。脈沖寬度調(diào)制PWM調(diào)速脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是英文“PulseWidthModulation〞的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進展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]。脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是一種利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬信號電平進展數(shù)字控制的方法。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，利用高分辨率計數(shù)器改變方波的占空比被調(diào)制用來對一個模擬信號的具體電平編碼。但PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的所有時刻，全幅值的直流供電不是完全導(dǎo)通，就是完全截止，不存在第三種狀態(tài)。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。導(dǎo)通時直流供電完全被加到模擬負(fù)載上，截止時是供電完全被斷開的時候。只要數(shù)值帶寬足夠?qū)?，所有的模擬電流都可以使用PWM模擬。PWM調(diào)速的優(yōu)點如下：1)由于PWM的開關(guān)頻率很高，只要通過電樞電感濾波就可以得到波動比擬小的直流電流，可以調(diào)速的圍大，理論上可到達1:10000左右；2)響應(yīng)性能的快速行十分好，抵抗動態(tài)干擾能力強；3)由于器件僅工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上優(yōu)點，以及本設(shè)計中受控電機的容量和直流電機調(diào)速的開展方向，本設(shè)計采用了PWM變換器進展調(diào)速。2.2傳感器模塊的選擇四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行是本設(shè)計重點容之一，而要進展飛行器的穩(wěn)定飛行就得獲得飛行器穩(wěn)定的姿態(tài)。傳感器用來感知自身的姿態(tài)位置信息及外界環(huán)境的變化，為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)。因為四旋翼飛行器所使用的電池容量較小，以及四旋翼飛行器的升力和負(fù)載能力有限，所以，減輕導(dǎo)航姿態(tài)測量系統(tǒng)所用傳感器的質(zhì)量、體積，就顯得十分重要。加速度檢測傳感器是可以檢測加速力變化的電子器件。加速度檢測傳感器的工作原理：檢測元件將測點的加速度變化信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，進入信號調(diào)理電路，經(jīng)過信號放大電路改善信號的信噪比，再進展AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號傳遞給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進展數(shù)字濾波處理。加速度檢測傳感器用于檢測機身相對于水平面的側(cè)傾角度。在四旋翼飛行器起飛的瞬間，由于電機轉(zhuǎn)速本身的質(zhì)量和轉(zhuǎn)速誤差，加速度檢測傳感器無法感知飛行器本身的受力情況。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動的情況下進展測量，而飛行器起飛的瞬間，物體是運動的，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。陀螺儀檢測傳感器能感知物體的運動變化。四旋翼飛行器的飛行控制器通過讀取陀螺儀檢測傳感器采集的數(shù)據(jù)進展處理，并依據(jù)四旋翼飛行器當(dāng)前姿態(tài)進展反應(yīng)控制，即可以使得四旋翼飛行器保持穩(wěn)定的飛行。因為在測量過程中陀螺儀檢測傳感器受到溫度變化的影響，導(dǎo)致測得的姿態(tài)信息并不十分準(zhǔn)確，對測得的數(shù)據(jù)經(jīng)行再次的濾波就顯得尤為重要。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動狀態(tài)。綜合考慮性能、體積、重量和本錢等因素，本設(shè)計選擇MPU-6050陀螺儀加速度計，其具體的電路連接圖如圖2-2所示。圖2-2MPU-6050傳感器電路連接圖MPU-6050是世界第一例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸微機電陀螺儀，3軸微機電加速度計，以及可擴展的數(shù)字處理器DMP〔DigitalMotionProcessor〕，可用I2C接口連接磁力計。擴展之后就可以通過其I2C接口輸出一個9軸變化的數(shù)字信號。MPU-6050也可以通過其I2C接口連接非慣性的數(shù)字傳感器，比方氣壓傳感器[20]。MPU-6050與其他處理器之間的通信采用400kHz的I2C接口。對于需要高速傳輸?shù)南到y(tǒng)，對數(shù)據(jù)的讀取和中斷可用20MHz的SPI。此外，MPU-6050片上還部還有了一個溫度傳感器用于矯正溫度變化對采集數(shù)據(jù)的影響。2.2電源模塊的論證與選擇系統(tǒng)采用2200mA動力鋰電池作為供電電源，電壓為12V左右，可直接供應(yīng)電調(diào)使用，其中電機由電調(diào)直接驅(qū)動，而攝像頭工作電壓和FreescaleKinites60單片機為3.3V，超聲波模塊的工作電壓5V，需要通過穩(wěn)壓芯片進展一次電壓轉(zhuǎn)換為其供電。方案一：通過電調(diào)產(chǎn)生5V電壓供應(yīng)超聲波模塊使用，由于攝像頭的工作電流不是很大，直接采用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供攝像頭和FreescaleKinites60單片機使用，這個方案電路十分簡單，使用元件少，且工作十分穩(wěn)定。方案二：采用LM7805三端穩(wěn)壓器將電源電壓降到5V供超聲波模塊使用，再通過AMS1117穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓供應(yīng)攝像頭FreescaleKinites60單片機。電路部有過熱、過電流及調(diào)整管的保護電路，但在實際應(yīng)用中，穩(wěn)壓管溫度上升過高時，其工作的穩(wěn)壓性能將變差，甚至燒毀。綜合考慮以上的兩種不同的電源模塊方案，選擇方案一更為合理。2.3飛行控制模塊的論證與選擇方案一：領(lǐng)航者飛控模塊。匿名科創(chuàng)ANOTC的領(lǐng)航者飛控模塊能提供完全開源的飛控工程源代碼，飛行效果好，方便調(diào)試及后期增加功能。方案二：QQ飛行控制模塊。其有優(yōu)點是調(diào)試簡單，有自穩(wěn)功能，缺點是不能定高，不能姿態(tài)控制，沒有開源的飛控工程源碼，對后續(xù)調(diào)試，增加功能影響很大，不利于本畢業(yè)設(shè)計的制作。綜合考慮以上的兩種不同方案，選擇方案一更為合理。2.4攝像頭模塊的論證與選擇攝像頭是基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器系統(tǒng)信息提取關(guān)鍵，其輸出信息的好壞將決定著四旋翼飛行器轉(zhuǎn)向性能。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，又要考慮到單片機采集和處理的能力?；跀z像頭尋跡的四旋翼飛行器中既可以使用CMOS型攝像頭，也可以使用CCD型攝像頭。CCD模擬攝像頭和CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，其優(yōu)缺點如表2-1、表2-2所示：表2-1CCD模擬攝像頭的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點1)靈敏度高，適于高速運行；2)噪點低。1)本錢高；2)功耗高，需12V供電表2-2CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)缺點優(yōu)點攝像頭缺點優(yōu)點缺點1)體積小，重量輕，功耗低本錢高；2)部集成A/D，電路要求簡功耗高，需12V供電。單，方便系統(tǒng)小型化；3)平均本錢低,便于推廣。1)靈敏度低，不適于高速運行；2)噪點高。通過比擬，發(fā)現(xiàn)CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭相比于CCD模擬攝像頭，有著供電電路簡單，體積小巧、質(zhì)量輕、功耗低等諸多方面的優(yōu)勢。同時，我們發(fā)現(xiàn)CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭提供了PCLK信號，這樣我們便可以利用FreescaleKinites60單片機自帶的DMA模塊進展DMA采集。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。而CCD模擬攝像頭未能提供PCLK信號，同時為了得到數(shù)字灰度值，我們需要對CCD輸出的模擬信號進展AD轉(zhuǎn)換，增加了電路的復(fù)雜度。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)計的圖像傳感器。選用型號是OV7725數(shù)字CMOS攝像頭。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。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。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是按指定的分辨率，以換行掃描的方法采集信息，當(dāng)掃描到*點時，再通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度相對應(yīng)數(shù)字信號，最后通過8位的輸出口輸出。配合OV7725的工作時序，通過單片機適時的對這8位端口進展采集，便可得到期望的圖像點的灰度值。OV7725的SCCB控制時序圖如圖2-3所示。圖2-3OV7725的控制時序圖在使用OV7725時，通過SCCB協(xié)議，利用SCL、SDA端口，對該攝像頭存放器進展了配置，需要對該攝像頭的三處做了重新設(shè)置。一、將攝像頭的分辨率配置成180*240，這樣可以使單片機在采集圖像數(shù)據(jù)時，能盡可能少的響應(yīng)沒有必要的行場中斷，增強了單片機的處理效率。二、將攝像頭的比照度設(shè)置成了最高，高比照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。三、根據(jù)實際的圖像顯示效果，適時適宜的更改圖像的亮度，是顯示效果更加滿意。此外，還需要對攝像頭的其他存放器〔如：與曝光時間、白平衡有關(guān)的存放器等〕也做適當(dāng)更改，使得顯示的效果更加直觀、清晰。為基于攝像頭尋跡的四旋翼飛行器系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確的軌跡信息。2.5高度檢測系統(tǒng)的論證與選擇方案一：超聲波測距。超聲波發(fā)射器向正前方發(fā)射超聲波，同時計時開場，超聲波在空氣中傳播，途中假設(shè)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頓計時，通過聲音在空氣中傳播的速度可以計算出障礙物與超聲波模塊間的距離。其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高，可靠性高，不受外界光線干擾。方案二：紅外傳感器測距。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)點是利于裝配，使用方便，受可見光干擾小。缺點是容易受到中的紅外線干擾，檢測距離短，檢測距離不符合設(shè)計要求。綜合比擬以上兩種方案，選取方案一更為適宜。2.6小結(jié)本章首先講述了本畢業(yè)設(shè)計的總體設(shè)計方案，后面依次論證選擇了驅(qū)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(shè)計的硬件選擇，為接下來的工作做好準(zhǔn)備。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擬，具有如下特點：共同點：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)根本原理。不同點：1)四旋翼飛行器只受旋翼和機身所產(chǎn)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(chǎn)生的其他力和力矩。2)四旋翼飛行器擁有多個旋翼，由控制模塊根據(jù)實時的飛行姿態(tài)，產(chǎn)生PWM通過改變占空比的方式來控制和協(xié)調(diào)各旋翼的轉(zhuǎn)動速度，來改變各個旋翼旋轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的升力和扭矩，到達控制四旋翼飛行器的姿態(tài)、位置和飛行方向，而不像其他直升機需要改變槳葉的槳矩角來控制其飛行的姿態(tài)及方向。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(xué)公式描述為：，—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。結(jié)合以上特點，并對四旋翼飛行器作如下假設(shè)：假設(shè)槳葉和機身都是剛性的，忽略槳葉和機身彈性變形造成的影響，且槳葉弦長b為常數(shù)，不會隨運動狀態(tài)的變化而改變；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：〔3-1〕—升力系數(shù)；—特性切面的升力系數(shù)。假定四旋翼翼型阻力系數(shù)和和誘導(dǎo)速度v沿槳葉半徑不變；旋翼軸均垂直于機體平面；3.2四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立對飛行器進展分析經(jīng)常用坐標(biāo)系有速度坐標(biāo)系、機體坐標(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)系之間可以通過數(shù)學(xué)公式進展變換。3.2.1機體坐標(biāo)系的建立圖3-1機體坐標(biāo)系的建立機體坐標(biāo)系的建立如圖3-1所示，其原點RO位于水平面一點，*n軸位于水平面，其方向指向正向，其Yn軸位于水平面與*n軸垂直且其方向指向正北方向，Zn軸和*n軸與Yn軸構(gòu)成的平面垂直，方向指向正上方，符合右手法則[21]。3.2.2旋翼構(gòu)造軸系的建立圖3-2四旋翼構(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O*沿構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面與機身縱向?qū)ΨQ面的交線方向，指向機頭方向為正；橫軸OZ與OY、O*兩軸垂直，順旋翼旋轉(zhuǎn)方向以指向=90方位為正。因為四旋翼飛行器具有四個旋翼，所以一共有四個旋翼構(gòu)造軸系。以右〔right〕旋翼為例，創(chuàng)立旋翼構(gòu)造軸系如圖3-2所示。3.3四旋翼飛行器上總的力和力矩因為在四旋翼各旋翼間相互干擾方面缺乏資料參照，還需做更深層次的研究，所以暫時只能單獨考慮多旋翼與機身間的作用，計算出四旋翼飛行器受到的力矩和總力：〔3-2〕〔3-3〕〔3-4〕〔3-5〕〔3-6〕〔3-7〕式中F*G、FyG、FzG為重力在四旋翼飛行器機體軸上的分量，其中：〔3-8〕〔3-9〕〔3-10〕機體坐標(biāo)系的原點在四旋翼飛行器的重心，因此：。3.4四旋翼飛行器力學(xué)控制原理圖3-3四旋翼受力模型四旋翼飛行器是通過四個旋翼產(chǎn)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(shè)成如圖3-3模型所示。圖3-3中、、、分別代表前后左右四個旋翼的升力；、、、分別代表前后左右四個旋翼的力矩。當(dāng)控制飛行器四個旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩變化時，飛行器將產(chǎn)生不同種類飛行姿態(tài)，實現(xiàn)多種航行任務(wù)。3.4.1垂直升降與懸停圖3-4垂直升降與懸停示意圖在圖3-4中，因為兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，防止其在原地旋轉(zhuǎn)，當(dāng)同時增加四個電機的轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)速的增加使得旋翼轉(zhuǎn)速增加，隨之四旋翼飛行器總的升力增大，當(dāng)總上升力大于四旋翼飛行器的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的轉(zhuǎn)速，四旋翼飛行器則垂直降落，直至平衡的落地，完成了沿z軸的垂直運動，當(dāng)沒有外界干擾時，在四個旋翼產(chǎn)生的升力與飛行器重量相等的情況下，飛行器便可以保持懸停狀態(tài)。確保四個旋翼轉(zhuǎn)速同時增加或減小一樣的升力是四旋翼飛行器垂直運動的關(guān)鍵。3.4.2四旋翼的俯仰運動圖3-5四旋翼的俯仰運動意圖在圖3-5中，電機1的轉(zhuǎn)速增加，電機3轉(zhuǎn)速減小，電機2、電機4的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定不變。為了不因為四旋翼轉(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。由于旋翼1的升力增加，旋翼3的升力降低，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞y軸旋轉(zhuǎn)一定的角度〔方向如下圖〕，同理，當(dāng)電機1的轉(zhuǎn)速減小，電機3的轉(zhuǎn)速增加，機身便繞y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。3.4.3四旋翼的滾轉(zhuǎn)運動滾轉(zhuǎn)運動與俯仰運動一樣。都是為了實現(xiàn)四旋翼飛行器的翻轉(zhuǎn)。只不過俯仰運動改變的是電機1、3的轉(zhuǎn)速，保持電機2、4的轉(zhuǎn)速不變，使得四旋翼飛行器繞y軸進展旋轉(zhuǎn)。而滾轉(zhuǎn)運動則是改變電機2、4的轉(zhuǎn)速，保持電機1、3轉(zhuǎn)速保持不變，使四旋翼飛行器繞*軸進展旋轉(zhuǎn)。原理如圖3-6示。圖3-6四旋翼的滾轉(zhuǎn)運動意圖3.4.4四旋翼的偏航運動圖3-7四旋翼的偏航運動意圖四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中因為空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克制反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向一樣。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速一樣時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)四個電機轉(zhuǎn)速不完全一樣時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖3-7中，當(dāng)電機1和電機3的轉(zhuǎn)速上升，電機2和電機4的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機1、電機3的轉(zhuǎn)向相反。原理如圖3-7示。3.4.5四旋翼的前后運動與側(cè)向運動圖3-8四旋翼的前后運動與側(cè)向運動意圖要想實現(xiàn)飛行器在水平面前后、左右的運動，必須在水平電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。在圖3-8中，增加電機3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖3-5和圖3-6中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿*、y軸的水平運動。同理，根據(jù)四旋翼飛行器前后運動的工作原理，將飛行器*、y軸上的電機的工作狀態(tài)進展互換便可以實現(xiàn)四旋翼飛行器側(cè)向運動，原理圖如圖3-8所示。3.5小結(jié)本章首先簡單的介紹了四旋翼飛行器的模型，后面簡述了四旋翼飛行器坐標(biāo)系的建立，接著分析了四旋翼飛行器所收到的力和力矩，最后講述的四旋翼飛行器的力學(xué)控制原理，為后續(xù)四旋翼飛行器的控制打下了理論根底。4硬件電路局部設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計系統(tǒng)包括FreescaleKinites60處理器的最小系統(tǒng)板和STM32為核心的飛控，其中FreescaleKinites60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，需要外接超聲波測距模塊和電機驅(qū)動模塊，系統(tǒng)總體工作框圖如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)總體框圖4.2電機驅(qū)動模塊電機驅(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的轉(zhuǎn)速，電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖如圖4-2所示。圖4-2電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖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、無線通訊模塊需要供電，其框圖如圖4-3所示。圖4-3電源子系統(tǒng)框圖4.3.2LM1117-3.3穩(wěn)壓電路圖AMS1117穩(wěn)壓電路圖，其中輸入電壓為5V，輸出電壓為3.3V,使用LED燈作為電源指示燈，使用10uF的電解電容和0.1uF的瓷電容濾波。電路原理圖如圖4-4所示。圖4-4AMS1117穩(wěn)壓電路圖4.3.3HC-SR04超聲波模塊工作時序圖HC-SR04超聲波模塊工作時序圖，如圖4-5所示。圖4-5HC-SR04超聲波模塊工作時序圖4.4小結(jié)本章首先簡述了系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計，接著講述了電機驅(qū)動模塊、電源模塊的設(shè)計。5系統(tǒng)設(shè)計軟件局部設(shè)計5.1程序設(shè)計總論系統(tǒng)采用模塊化構(gòu)造設(shè)計，使用KeilMDK-ARM開發(fā)環(huán)境，使得系統(tǒng)功能組態(tài)更加方便。根本程序模塊有超聲波測距模塊、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)各局部功能。5.2軟件開發(fā)工具簡介源程序的編寫、編譯和都是在KeilMDK-ARM軟件下進展的，并最后生成可執(zhí)行文件。KeilMDK-ARM〔舊稱RealViewMDK〕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。KEILMDK集成了業(yè)最領(lǐng)先的技術(shù)，包括uVision3、uVision4、uVision5集成開發(fā)環(huán)境與ARM編譯器。支持ARM7、ARM9、Corte*-M0、Corte*-M0+、Corte*-M3、Corte*-M4、Corte*-R4核核處理器。KeilMDK可以自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的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。相比于之前的Version4，新發(fā)布的Version5.0版本的MDK有了非常大的架構(gòu)調(diào)整，增添了許多新的特性。Keil將MDK5分成了MDK核和SoftwarePack兩局部，其核局部仍然是包括編輯器、編譯器、包安裝和調(diào)試跟蹤，而SoftwarePack則又包含Device、CMSIS和MDKprofessionalMidware。這種分層的構(gòu)造使得對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(diào)用。圖5-1MDK5開發(fā)環(huán)境主界面5.3程序流程圖5.3.1主程序流程圖以下圖5-2為主程序流程圖，程序啟動后進展各局部模塊的初始化，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，四旋翼飛行器開場起飛，起飛過程中由STM32控制超聲波模塊檢測離地面高度，到達一定高度〔可以人為設(shè)定〕后，停頓上升，飛行器保持相應(yīng)的高度飛行。同時FreescaleKinites60單片機控制攝像頭模塊開場采集圖像信息，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(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，以實現(xiàn)四旋翼飛行器的循跡飛行。圖5-2主程序流程圖超聲波模塊子程序流程圖如圖5-2為超聲波模塊子程序流程圖，超聲波模塊主要是用定時器檢測超聲波模塊發(fā)出的波形，再檢測收到的波形的時間，再通過計算，算出距離。圖5-2超聲波模塊子程序流程圖攝像頭模塊程序流程圖如圖5-3所示為攝像頭模塊程序流程圖。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、計算路徑信息和把路徑信息傳送給控制模塊。圖5-3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);//中斷優(yōu)先級組別設(shè)置SysTick_Configuration();//滴答時鐘I2c_Soft_Init(); //初始化模擬I2CPWM_IN_Init(); //初始化接收機采集功能PWM_Out_Init(400); //初始化電調(diào)輸出功能Delay_ms(400); //延時MPU6050_Init(20); //加速度計、陀螺儀初始化，配置20Hz低通LED_Init(); //LED功能初始化Para_Init(); //參數(shù)初始化Delay_ms(100); //延時Ultrasonic_Init(); //超聲波初始化if(SCCB_Init(I2C0_SCL_PB00_SDA_PB01))//攝像頭OV7725初始化{while(1);}DMA_Init(&DMA_InitStruct1);//DMA初始化5.5算法設(shè)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(shè)計外，還在于控制程序的算法是否準(zhǔn)確而合理。方向控制主要在于四旋翼飛行器在過直角彎道時能否根據(jù)進展飛行方向的轉(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)整四個無刷電機旋轉(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。5.5.1PID算法PID算法簡介：PID算法是自動控制領(lǐng)域和和自動化生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最廣泛的控制方法，其原理如圖5-4所示：QUOTEcontrollerQUOTEcontroller—圖5-4PID算法原理圖誤差QUOTE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*些信號進展整合比擬，得到輸出值，用公式表達如下：QUOTE〔5-1〕上式中，QUOTE為比例系數(shù),QUOTE為積分時間常數(shù)，QUOTE為微分時間常數(shù)。QUOTE為控制量；QUOTE為被控量與設(shè)定值QUOTE的偏差。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。將式〔5-1〕離散化得：QUOTE]〔5-2〕控制器將輸出量QUOTE反應(yīng)到輸入，與輸入再一次進展比擬，得到新的輸入，這樣無限循環(huán)，得到最正確控制效果。比例環(huán)節(jié)的主要作用是:QUOTE______________________________QUOTE值，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定。5.5.2方向控制算法方向控制采用PID位置式算法，即直接利用式(5-2)計算，積分項〔Pi〕是將所有采集值偏差相加。具體程序如下所示：voidDirectionContorl(void){floatKp,Kd;Delat=inductance_0-inductance_1;Kp=Delat*PID_P_direction*0.1;Kd=(Direction_contorl_new-Direction_contorl_old)*PID_D_direction*0.01;Direction_contorl_old=Direction_contorl_new;Direction_contorl_new=Kp+Kd;Direction_contorl_value=Direction_contorl_new;if(Direction_contorl_value>1750)Direction_contorl_value=1750;if(Direction_contorl_value<1250)Direction_contorl_value=1250;}速度高度控制算法由于積分時間常數(shù)QUOTE對速度的影響，速度高度控制采用PID增量式控制，即在位置式控制的根底上加以改良，根據(jù)式(5-2)得到n-1采樣周期的控制量：QUOTE](5-3)由式(5-3)-(5-2)得：QUOTE(5-4)由此第n個采集量便于書寫，其控制程序如下：voidheight_speed_ctrl(floatT,floatthr,floate*p_z_speed,floath_speed){ staticfloatthr_lpf; floatheight_thr; staticfloathc_acc_i,wz_speed_0,wz_speed_1; height_thr=LIMIT(2*thr,0,600); thr_lpf+=(1/(1+1/(0.5f*3.14f*T)))*(height_thr-thr_lpf); wz_acc_mms2=(wz_acc/4096.0f)*10000+hc_acc_i;//9800*T; wz_speed_0+=my_deathzoom((wz_acc_mms2),100)*T; hc_acc_i+=0.4f*T*((wz_speed-wz_speed_old)/T-wz_acc_mms2); hc_acc_i=LIMIT(hc_acc_i,-500,500); wz_speed_0+=(1/(1+1/(0.1f*3.14f*T)))*(h_speed-wz_speed_0); wz_speed_1=wz_speed_0; if(ABS(wz_speed_1)<50) { wz_speed_1=0; } wz_speed_old=wz_speed; wz_speed=wz_speed_1; wz_speed_pid_v.err=wz_speed_pid.kp*(e*p_z_speed-wz_speed); wz_speed_pid_v.err_d=0.002f/T*10*wz_speed_pid.kd*(-wz_acc_mms2)*T; wz_speed_pid_v.err_i+=wz_speed_pid.ki*wz_speed_pid.kp*(e*p_z_speed-h_speed)*T; wz_speed_pid_v.err_i=LIMIT(wz_speed_pid_v.err_i,-Thr_Weight*300,Thr_Weight*300); wz_speed_pid_v.pid_out=thr_lpf+Thr_Weight*LIMIT((wz_speed_pid.kp*e*p_z_speed+wz_speed_pid_v.err+wz_speed_pid_v.err_d+wz_speed_pid_v.err_i),-300,300); wz_speed_pid_v.err_old=wz_speed_pid_v.err;}圖像信息處理算法圖像的二值化的根本原理：圖像的二值化處理就是將圖像上的點的灰度置為0或255，也就是將整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。即將256個亮度等級的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像占有非常重要的地位，特別是在實用的圖像處理中，以二值圖像處理實現(xiàn)而構(gòu)成的系統(tǒng)是很多的，要進展二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像，這樣子有利于在對圖像做進一步處理時，圖像的集合性質(zhì)只與像素值為0或255的點的位置有關(guān)，不再涉及像素的多級值，使處理變得簡單，而且數(shù)據(jù)的處理和壓縮量小。為了得到理想的二值圖像，一般采用封閉、連通的邊界定義不交疊的區(qū)域。所有灰度大于或等于閾值的像素被判定為屬于特定物體，其灰度值為255表示，否則這些像素點被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。如果*特定物體在部有均勻一致的灰度值，并且其處在一個具有其他等級灰度值的均勻背景下，使用閾值法就可以得到比擬的分割效果。如果物體同背景的差異表現(xiàn)不在灰度值上〔比方紋理不同〕，可以將這個差異特征轉(zhuǎn)換為灰度的差異，然后利用閾值選取技術(shù)來分割該圖像。動態(tài)調(diào)節(jié)閾值實現(xiàn)圖像的二值化可動態(tài)觀察其分割圖像的具體結(jié)果[22]。在程序中的實現(xiàn)方法如以下程序所示：/*圖像二值化函數(shù)*/voidImage_Binaryzation(void){inti,j;for(i=0;i<H;i++){for(j=0;j<V;j++){if(Pic_Buff[j][i]<THRESHOLD)Pic_Buff[j][i]=0*00;elsePic_Buff[j][i]=0*fe;}}}/*圖像中值濾波函數(shù)*/voidImage_Filter(void){inti,j;for(i=0;i<H;i++) { for(j=0;j<V-2;j++) { if(Pic_Buff[j][i]==0*fe&&Pic_Buff[j+1][i]==0&&Pic_Buff[j+2][i]==0*fe) Pic_Buff[j][i]=0*fe; elseif(Pic_Buff[j][i]==0&&Pic_Buff[j+1][i]==0*fe&&Pic_Buff[j+2][i]==0) Pic_Buff[j][i]=0*00;}}}/*尋找黑線位置函數(shù)*/voidGet_Black_Line(void){u8i,j;for(i=0;i<60;i++) { for(j=79;j>2;j--)//{ if((Pic_Buff[j][i]==0*00)&&(Pic_Buff[j-1][i]==0*00)) {Black_Line[i]=75;Search_t++; break;} elseif((Pic_Buff[j][i]==0*fe)&&(Pic_Buff[j-1][i]==0*fe)&&(Pic_Buff[j-2][i]==0*00)&&(Pic_Buff[j-3][i]==0*00)){Black_Line[i]=j-2; Search_t++;break;} elseBlack_Line[i]=0; }}}/*黑線位置處理函數(shù)，獲取中心值*/voidBlack_Line_handle(void){u8i;for(i=0;i<60;i++){ middle_dot+=Black_Line[i];} middle_dot=middle_dot/Search_t;}5.6小結(jié)本章首先總體講解了程序的設(shè)計，接著介紹了軟件的開發(fā)工具，后面介紹了程序工作的流程，然后介紹了各個模塊的初始化，最后講述了本畢業(yè)設(shè)計所用的核心算法。6系統(tǒng)調(diào)試6.1軟硬件調(diào)試在完成硬件設(shè)計和制作以及程序編寫后，要進展整個四旋翼飛行器的調(diào)試，以檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效性，整車調(diào)試的順序為：先調(diào)試硬件后調(diào)試軟件，硬件調(diào)試主要包括機械調(diào)試和電路調(diào)試，確保硬件工作正常后再調(diào)試軟件局部；軟件調(diào)試除了調(diào)試單片機的現(xiàn)有模塊之外就是修改控制程序以及算法參數(shù)，大多數(shù)情況下兩者需要結(jié)合起來調(diào)試。硬件調(diào)試的順序為：先對電源電路、電機驅(qū)動進展調(diào)試，接著是調(diào)試用于高度檢測的超聲波模塊、攝像頭模塊、加速度傳感器、陀螺儀模塊。機械調(diào)試包括機架的安裝，無刷電機的安裝，各個模塊間的接線，電子調(diào)速器，攝像頭，超聲波模塊的放置位置，盡量保證四旋翼飛行器各個地方重量均勻。電源電路：電源電路是系統(tǒng)能夠工作到關(guān)鍵，開機就要檢測各局部電源供電是否正常，包括電源供電、5V供電、3.3V供電。6.1.1電源電路調(diào)試在根據(jù)電路原理圖完成電路焊接后，再對照電路原理圖檢查一遍，主要檢測電路所用電阻的阻值，電容的容值，器件型號是否選對，器件間連線是否正確，檢查無誤后通電測試，用萬用表的直流電壓檔測試電路輸出是否符合設(shè)計目標(biāo)，檢查結(jié)果如以下圖所示，其中圖6-1為3.3V電路的測試結(jié)果，比設(shè)計目標(biāo)高0.02V，可以正常使用，圖6-2為5V電路的測試結(jié)果，比設(shè)計目標(biāo)低0.05V，可以正常使用。圖6-13.3V供電檢測結(jié)果圖圖6-25.0V供電檢測結(jié)果圖攝像頭調(diào)試調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，圖像分成上下兩幅圖像，如圖6-3所示。原因分析：沒處理好場中斷信號，沒有嚴(yán)格根據(jù)場中斷信號開場采集每幀的數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)采集到一圖片里由上下兩圖片錯位構(gòu)成：上半圖是前一圖片的底部，下半圖是這圖片的頂部?；蛘邎鲋袛鄟砹撕?，先處理太多東西，然后才開場采集，導(dǎo)致跳過了開頭的數(shù)據(jù)，后續(xù)采集的時候又根據(jù)采集的行數(shù)來判斷是否停頓采集，就恰好采集到下一圖像的開頭。解決措施：仔細(xì)分析信號的時序，處理好場中斷信號，嚴(yán)格按照時序按照場中斷信號采集數(shù)據(jù)，修改后問題解決。圖6-3圖像分成上下兩幅圖像調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題：采集到的圖像分成左右兩半類似鏡像對稱的圖片，而且中間有消隱區(qū)。如圖6-4所示。原因分析：讀取行的數(shù)目太多，或者中間延時太久，導(dǎo)致讀取一行變成的讀取兩行。解決措施：網(wǎng)上查資料，查閱飛思卡爾攝像頭組的相關(guān)技術(shù)報告，仔細(xì)分析信號的時序，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理好延時時間，仔細(xì)根據(jù)時序按照場中斷采集數(shù)據(jù)。修改后問題解決。圖6-4圖像左右兩半一樣且中間有消隱區(qū)6.2通用排故方法任何一個系統(tǒng)不可能一次就調(diào)試成功，需要進展無數(shù)次的實驗和修改才能慢慢完善，在此調(diào)試過程中會出現(xiàn)各種各樣無法預(yù)料的問題。該四旋翼