廖健林 許生鴻 蔡展標(biāo) 劉 燕 胡均萬

(嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015)

應(yīng)用于遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控的四軸飛行器

廖健林 許生鴻 蔡展標(biāo) 劉 燕*胡均萬

(嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015)

介紹一種基于5.8 G圖像傳輸技術(shù)，可以用于森林防火防盜巡邏、電力巡檢等情況的四軸飛行器。該飛行器采用C o r t e x-M 4架構(gòu)的ST M 3 2單片機(jī)作為主控芯片，以M PU 6 0 0 0運(yùn)動(dòng)傳感器、H M C 58 8 3 L磁力計(jì)來獲取無人機(jī)姿態(tài)位置信息。主控芯片將傳感器所采集的值，利用慣性導(dǎo)航技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)通過四元數(shù)運(yùn)算求出當(dāng)前的飛機(jī)姿態(tài)，然后通過PID算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

5.8 G圖像傳輸；ST M 3 2單片機(jī)；慣性導(dǎo)航技術(shù)；數(shù)據(jù)融合；四元數(shù)；PID算法

1 引言

四軸飛行器屬于一種小型飛行器，可以靈活在空中飛行，具有很高的可控性。利用搭載在四軸飛行器上的5.8G遠(yuǎn)程圖像傳輸模塊，可以通過顯示屏觀察回傳過來的圖像，替代人工巡邏等情況。從而節(jié)省人力物力，只需要一個(gè)操作人員通過觀察遠(yuǎn)程傳來的圖像對(duì)飛行器進(jìn)行操作。

一般來說，市場上很多四軸飛行器使用的電子調(diào)速器是通過脈沖寬度控制的，普遍控制頻率都在200Hz～600Hz，根據(jù)四軸飛行器的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款利用IIC總線協(xié)議控制的電子調(diào)速器，控制頻率提升到400KHz，從而提高飛行器的響應(yīng)速度[1]。同時(shí)飛行控制板采用Cortex-M4架構(gòu)的單片機(jī)，其主頻可達(dá)168MHz，并且內(nèi)核集成了FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元，提高了姿態(tài)解算和PID運(yùn)算的速率。

四軸飛行器機(jī)體采用碳纖維材料作為中心板，鋁方管作為機(jī)臂，使機(jī)身重量降低的同時(shí)不改變機(jī)身強(qiáng)度，同時(shí)增加了續(xù)航時(shí)間。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架中心板使用碳纖維，機(jī)臂使用鋁方管，如圖1所示。這樣的架構(gòu)使用的材料最少、質(zhì)量最輕、強(qiáng)度最大和靈活性最高。

圖1 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四軸飛行器主要由遙控器、飛行控制板、圖像傳輸和動(dòng)力系統(tǒng)組成[2]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

遙控器端單片機(jī)通過采集操作桿的ADC值，經(jīng)過2.4G發(fā)射模塊發(fā)送到飛行控制板端。遙控器端可以通過按鍵來完成功能設(shè)置和參數(shù)調(diào)節(jié)等操作，蜂鳴器用作遙控電池低電壓報(bào)警。

飛行控制板端通過SPI總線獲取MPU6000的陀螺儀和加速度計(jì)值，利用一系列的算法運(yùn)算得出當(dāng)前姿態(tài)，根據(jù)2.4G接收模塊接收到的遙控?cái)?shù)據(jù)調(diào)整姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)一系列復(fù)雜的飛行動(dòng)作。

圖像傳輸選用5.8G圖像傳輸技術(shù)的TS835模塊，傳輸距離可達(dá)2公里遠(yuǎn)，可以通過觀察遠(yuǎn)程回傳的圖像來控制飛行和巡邏工作。動(dòng)力系統(tǒng)則采用IIC總線控制方案設(shè)計(jì)出電子調(diào)速器。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 飛行控制板設(shè)計(jì)

飛行控制板硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由于STM32單片機(jī)具有性價(jià)比高、外設(shè)豐富、主頻較高和帶有浮點(diǎn)運(yùn)算單元等優(yōu)點(diǎn)，采用了STM32F407VGT6這款芯片作為主控核心[3]。MPU6000運(yùn)動(dòng)傳感器內(nèi)部集成了高精度的陀螺儀和加速度計(jì)，且價(jià)格低廉性能穩(wěn)定。HMC5883L具有高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)，故用于作為航向角的校準(zhǔn)。

四軸飛行器采用IIC控制的電子調(diào)速器，因此要克服外圍大電流對(duì)IIC總線所產(chǎn)生的電磁干擾，抗干擾電路采用了10K歐的電阻分別上拉時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線到5V，然后再用1K歐的電阻分別串聯(lián)到時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線上。

2.4 G接收模塊通過SPI總線控制，直接讀取由遙控器端發(fā)送過來的控制數(shù)值，然后經(jīng)過校驗(yàn)后送到PID作為參考值。

穩(wěn)壓電路采用了LP2992-3.3低噪聲線性輸出穩(wěn)壓芯片。

圖3 飛行控制板硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 遙控器設(shè)計(jì)

遙控器電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，同樣遙控器主控芯片選用STM32F103RBT6，然后通過內(nèi)部ADC采集控制搖桿的電壓值，將該值進(jìn)行限幅和死區(qū)設(shè)置轉(zhuǎn)化成控制值，最后通過SPI總線控制2.4G發(fā)射機(jī)發(fā)送該數(shù)據(jù)。用戶可以通過按鍵設(shè)定飛行器的飛行參數(shù)等。若遙控器電池過低，即單片機(jī)ADC采集的值低于設(shè)定低壓值時(shí)，蜂鳴器通電發(fā)聲提醒用戶充電。

圖4 遙控器電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 電子調(diào)速器設(shè)計(jì)

電子調(diào)速器電路采用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中Atmega 8A作為控制芯片，通過ADC采集和過零檢測電路檢測過零信號(hào)，若檢測到過零信號(hào)，主控通過PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)換相。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由3對(duì)N和P組合的MOSFET管兩兩導(dǎo)通控制相位導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電路換流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相。

主控器通過定時(shí)器中斷，開啟電流測量，電流測量電路由一條固定阻值的蛇形走線，并聯(lián)一個(gè)小電容，最后通過主控器的ADC采集該電壓值，然后轉(zhuǎn)化成電流值。

低壓保護(hù)電路通過電阻分壓來擴(kuò)大測量量程，然后通過并聯(lián)一個(gè)小電容作為濾波，直接輸出到主控的ADC，再得出電壓值。

圖5 電子調(diào)速器電路結(jié)構(gòu)示意圖

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 主控程序

飛行控制板上電后，單片機(jī)初始化所需的通信總線如IIC、SPI、UART，同時(shí)初始化定時(shí)中斷。通過通信總線來配置和初始化傳感器工作。開啟無線接收，接收來自遙控發(fā)出的數(shù)據(jù)，返回機(jī)體姿態(tài)等信息回遙控，電腦上位機(jī)通過讀取遙控串口輸出的值來獲取飛機(jī)返回的信息。單片機(jī)根據(jù)傳感器采集的數(shù)值做一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到機(jī)體姿態(tài)信息，通過與接收到的遙控值做誤差輸入到PID運(yùn)算子程序，通過PID來調(diào)節(jié)飛機(jī)，從而達(dá)到所期望的姿態(tài)[4]，其主控程序流程圖如圖6所示。

圖6 主控程序流程圖

4.2 姿態(tài)解算

系統(tǒng)上電初始化后獲取各傳感器的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的濾波得到比較準(zhǔn)確的值，利用四元數(shù)將地理重力加速度變換到飛行器坐標(biāo)上的加速度，即將n系坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系）的數(shù)值轉(zhuǎn)換到b系坐標(biāo)系（機(jī)體坐標(biāo)系）上得到重力分量，再把機(jī)體上的加速度計(jì)讀取的值做歸一化處理，然后與b系坐標(biāo)系上的重力分量做外積，求出零偏值，最后通過比例-積分處理融合到三軸角速度上。將融合后的三軸角速度通過一階龍格-庫塔法，更新為四元數(shù)，再進(jìn)行歸一化處理。通過四元數(shù)轉(zhuǎn)換歐拉角公式得到當(dāng)前的航向角、俯仰角和橫滾角，姿態(tài)解算流程圖如圖7所示[5]。

圖7 姿態(tài)解算流程圖

4.3 PID算法控制

運(yùn)用串級(jí)PID位置式控制算法，把外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)的誤差輸入，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過工程上的試湊方法分別得到比例P、積分I和微分D作用的參數(shù)大小。

PID控制算法流程圖如圖8所示[6]，其中，對(duì)于外環(huán)部分：外環(huán)角度誤差=期望角度-當(dāng)前角度；外環(huán)積分+=外環(huán)角度誤差；外環(huán)輸出=外環(huán)角度誤差*P+外環(huán)積分*I；為防止滯后效應(yīng)，適當(dāng)對(duì)積分做一下限幅。而對(duì)于內(nèi)環(huán)部分：內(nèi)環(huán)角速度誤差=外環(huán)輸出-當(dāng)前角速度值；內(nèi)環(huán)積分+=內(nèi)環(huán)角速度誤差；內(nèi)環(huán)微分項(xiàng)=D*(上次角速度值-當(dāng)前角速度)；內(nèi)環(huán)輸出=外環(huán)角度誤差*P+外環(huán)積分*I+內(nèi)環(huán)微分項(xiàng)輸出；并對(duì)上次角速度值進(jìn)行保存；同樣地對(duì)積分環(huán)節(jié)做一下限幅操作。

圖8 PID控制算法流程圖

5 系統(tǒng)測試

5.1 電子調(diào)速器線性度測試

由于PID控制器屬于線性控制器，因此要保證控制通道與電機(jī)輸出力矩是線性的。本文利用杠桿原理搭建了一個(gè)測試平臺(tái)，對(duì)單個(gè)電子調(diào)速器進(jìn)行了線性度測試。

線性度測試使用了勝利牌DM6234P非接觸式數(shù)字轉(zhuǎn)速測量表和精準(zhǔn)臺(tái)秤，分別測試出當(dāng)前的單個(gè)新西達(dá)2208電機(jī)升力，從控制量為40開始每隔5取一個(gè)測試點(diǎn)，得出數(shù)據(jù)如表1所示，可以觀察出數(shù)據(jù)分布大致呈一條斜線，可得該電子調(diào)速器線性度良好。

表1 電子調(diào)速器線性度測試

5.2 飛行測試

將油門緩抬高，使飛行器平穩(wěn)離地2米高，觀察地面站調(diào)試平臺(tái)中顯示的當(dāng)前飛行器三維姿態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)航向角略微有點(diǎn)偏差，但是橫滾角和俯仰角卻保持平穩(wěn)，飛行器能夠平穩(wěn)地在空中飛行。通過遙控改變俯仰角，飛行器能平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退；改變橫滾角，飛行器能平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)；改變航向角，飛行器能旋轉(zhuǎn)任意角度。實(shí)驗(yàn)飛行測試效果圖參考圖9。

對(duì)于遙控器的感應(yīng)距離測試和圖像傳輸距離測試，我們采取靜止測試的途徑，即是將四軸飛行器用尼龍?jiān)鷰Ч潭ê?，然后每?00米輕抬一下遙控油門，同時(shí)觀察屏幕的圖像清晰度判斷信號(hào)的強(qiáng)度，實(shí)際測量得到表2數(shù)據(jù)。

表2 遙控距離和圖像傳輸距離測試

圖9 實(shí)驗(yàn)飛行測試效果圖

6 結(jié)語

該四軸飛行器通過MPU6000和HMC5883L采集數(shù)據(jù)，然后把飛行姿態(tài)解算成歐拉角，并根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)與遙控給定值做誤差處理，再通過PID算法來實(shí)現(xiàn)遙控對(duì)飛機(jī)各種姿態(tài)的控制，其中包括俯仰、橫滾、機(jī)動(dòng)自旋等高難度動(dòng)作，飛行器控制正常。同時(shí)實(shí)現(xiàn)其與電腦上位機(jī)的無線通信，實(shí)時(shí)得到四軸飛行器的姿態(tài)等信息，方便人們調(diào)試PID參數(shù)以及了解飛行器的運(yùn)行狀況。無刷無感電機(jī)電子調(diào)速器設(shè)計(jì)合理，具有帶負(fù)載重、控制精度高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過顯示屏觀察5.8G模塊回傳的圖像可見，在1.5公里以內(nèi)圖像清晰穩(wěn)定。

[1]曹杰，史金飛，戴敏．基于M EG A 8單片機(jī)的無傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化儀表，2 0 0 5(12)：13-16．

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[3]張?zhí)烊A．基于ST M3 2 F4系列單片機(jī)的四旋翼自主飛行器系統(tǒng)[J].電子制作，2 0 16(2 1)：7-8．

[4]周賀．基于ST M 3 2單片機(jī)的三葉漿四旋翼飛行器設(shè)計(jì)[J]．電腦知識(shí)與技術(shù)，2 0 14(2 1)：512 6-512 8．

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AQuadcopter for Remote Image Monitoring

Liao Jianlin Xu Shenghong Cai Zhanbiao Liu Yan*Hu Junwan
(Jiaying University,Meizhou 514015,Guangdong)

This paper mainly introduces a kind of quadcopter based on 5.8G image transmission technology,which is widely used in the power patrol and daily forest patrol.This design takes Cortex-M4 architecture of STM32 microprocessor as the center core,and obtains the position and attitude of the UAV by the MPU6000 and HMC5883L.The data of the sensor is collected by the main control chip,and the current attitude of the aircraft is obtained by using the inertial navigation technology through the four element calculation.Finally,the control of flight attitude is realized by the PID algorithm.

5.8G image transmission technology;STM32 microprocessor;inertial navigation technology;data fusion techniques;PID algorithm

V249

A

1008-6609(2016)11-0024-05

廖健林（19 9 4-），男，廣東佛山人，本科，研究方向?yàn)榍度胧絃i n u x開發(fā)。

*通信作者簡介：劉燕（19 8 9-）女，湖南永州人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)榭刂萍夹g(shù)。

2 0 16年廣東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2 0 16 10 58 2 0 2 3；嘉應(yīng)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：3 14E2 3。