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基于单片机技术的四轴飞行器控制系统研究与设计

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：翟栓郝张建赵传叶

[导读] 摘要：本次设计主要由飞行器主核心板模块、姿态控制模块、电源模块和摄像识别控制模块组成。

        安徽财经大学管理科学与工程学院安徽蚌埠 233000
        摘要：本次设计主要由飞行器主核心板模块、姿态控制模块、电源模块和摄像识别控制模块组成。主核心模块采用TIVA系列中TM4C123GH6PM芯片；姿态控制模块采用由超声波，光流，气压计，陀螺仪等多个传感器组成；电源模块负责提供持续稳定电流；摄像识别模块采用单独器件OpenMV4构成，具有巡航功能。本设计通过在飞行器上外加视觉传感器实现飞行器的自动巡航功能。
        关键词：四轴飞行器；自动巡航；控制系统；测试
        近年来随着机械化的快速发展，越来越多的机械化作业代替人工作业。而飞行器的应用就是这个大时代下的产物，其广泛应用于灾后搜救、物资运输、地形勘察等任务。相较于传统的固定轴飞行器，四轴飞行器的操作更加复杂，但它能够适应更复杂的工作环境，灵活性和智能型都远超传统无人机，在未来必定还会有更大的发展空间。基于此，本项目设计主要研究四轴飞行器的自动化和智能控制，具有较高的学习意义。
        一、系统方案
        本次设计的系统主要由以下几个部分组成：飞控板MCU；电源模块；姿态控制模块；视觉模块等。巡航机器人系统方案框图（图1所示）。接着下文简要分析论证这些模块的及部分模块的最优选择。

                      图1 系统方案框图
        （一）飞控板MCU的论证与选择
        方案一：采用TIVA系列中TM4C123G芯片。这是一款性能强大的芯片，具有最高80Mhz运行速度，内存容量为256KB的Flash，最多可同时运行12个16位定时器，理论上最多可操作49个GPIO口，支持单精度浮点运算。
        方案二：采用STM32F103芯片。该芯片内核为Cortes-M3，最高运行速度为72Mhz，CPU为32位，但功耗较大。
        综合考虑，为了可以高精度、高速度进行姿态解算及系统控制，同时保证低功耗，故选择方案一。
        （二）电源模块的论证与选择
        方案1：采用元器件LM2596开关压芯片。该降压器件结构简单，仅由极少的外围器件构成，提供多档电压，最高为37V，输出电流为3A，振荡频率为150kHz，一般情况下封装时需加入散热片。
        方案2：采用小DC-DC降压模块。该器件可输出最高5A的电流，输出电压在38V以内精准且可调，具有高温保护器件，同时DC-DC降压模块价格低，抗干扰能力强，易操作。
        方案1效率高不易发热，但输出波纹较大，不益于系统稳定；方案2可以让电源提供的电压稳定输出5V到单片机，不易发热，综合性能优。经上述论证，选择方案2。
        （三）姿态控制传感器论证与选择
        姿态控制传感器种类繁多，对比各自的优缺点，我们选用以下组合：
        MPU6050：本器件为三轴陀螺仪，可以同时测量上下、左右和前后三个方向上的加速度角速度和倾斜角，用加速度的测量数据来补充角速度传感器测量的不足。另外，陀螺仪具备增强偏置和温度稳定的功能，减少了用户校正操作，且具备改进的低频噪声性能。
        US-100：该器件为超声波传感器，用于测量低空时飞行器的离地距离。它的最大测量距离为4.5m，工作电压为2.4V到5.5V之间，电流低于2mA，同时携带有温度传感器，会根据外界的温度对测量距离进行校正。
        （四）视觉系统传感器
        本项目使用OpenMV4作为视觉系统传感器：OpenMV4为使用Python语言编程的可编程器件，操作简单，可与飞行器主控板仅以单一引脚的电平高低联系。它的成本较低，可进行图像处理，同时具有SD卡储存功能，便于飞行器巡航后的数据分析。
        二、电路与程序设计
        （一）电路设计
        电路核心MCU为TM4C123G芯片，与姿态控制模块（加速度计、陀螺仪MPU6050）、定高模块（气压计SPL06-001、超声波US-100 光流传感器）、电源模块（DC-DC降压器）和视觉模块（OpenMV4摄像头）进行相互的信息传输，并通过控制无刷电机的输出大小来控制飞行器的正常运行。
        （二）算法核心
        飞行器通过滤波器的处理优化加速度计原始数据，降低陀螺仪水平轴容易受到的机械震动、螺旋桨震动影响。飞行器的姿态运算通过四元数的更新，经欧拉角转换得出姿态的俯仰和横滚角。再根据PID算法控制飞行器的实际输出量。PID算法的核心计算规律为：

      。
        （三）实验思路设计
        飞行器在A点起飞，开始校准陀螺仪加速度计，并准备开始起飞，飞行器起飞后控制器姿态处理程序开始运行，将飞行高度控制在1m，此时飞行器开始巡检，延电力线杆向前行进。
        在飞行器的飞行前进过程中，OpenMV4开始运行，寻找黄色标记物，如果发现标记物进行灯光提示同时拍照三张，若未发现标记物，则摄像头没有任何反应，之后飞行器继续向前巡检。
        当飞行器到达B杆时，将通过B杆下的黑色标记物感知到达目的地，此时飞行器开始准备掉头返航，在这段时间里，OpenMV4开始寻找B杆上的黄色标记物，若发现同样进行灯光提示并拍照三张，若未发现则摄像头没有任何反应。此时飞行器开始返航过程，飞行器匀速继续保持1m高度前进，同时开始寻找降落点的黑色标记物，当寻找到降落点的黑色标记物，飞行器停止前进，在黑色标记物上等待3s并开始平稳缓慢的降落，到此飞行器巡航结束。

                 图2 实验思路设计图
        备注：飞行器在起飞定高至1m时，飞行器会出现上下浮动，通过PID算法进行姿态调节；在巡检线缆并发现黄色凸起物时，声光在距目标30cm持续响应。
        三、测试方案与测试结果
        （一）测试要求
        1.测试场地
        安放A、B杆模拟电线杆，AB杆间有一根黑色细线视为电缆，电缆上有一黄色凸起物，凸起物上有条形码标识，在B杆1m处有一可识别二维码，地面黑色虚线为测试识别标记。
        2.测试要求
        飞行器由A杆处平稳起飞，巡检电缆，当发现黄色凸起物时，发出声光提示并拍照，继续向B杆巡检，当到达B杆时仅拍照，巡检B杆并返回A杆，并在A杆附近稳定降落。取下飞行器上存储卡读取照片，照片上条形码和二维码应可用手机识别。
        （二）测试方案及条件
        1.测试方案
        飞行器在A杆1米内飞行，观察飞行器飞行路径是否满足题意。飞行完成后，取下SD卡，读取里面的内容。同时，记录全过程时间。
        2.测试条件
        （1）测试仪器：卷尺，秒表，读SD卡的设备，手机。
        （2）测试环境：光线充足，多光源分布的实验室、地面平整且不反光，房间内没有阳光直射及较强的风力干扰。
        （三）测试结果
                                                                           表1巡线机器人巡检过程数据表

表2巡线机器人拍摄分析表

        （四）结果分析
        在飞行器巡检实验中，整体飞行时间在90~120秒，可稳定的完成巡航过程。
        根据表3.3.1和表3.3.2测试数据，分析得：
        1.飞行器摆放于A处，起飞定高高度介于95~115之间，起飞过程稳定。
        2.飞行器可平稳完成巡航，在巡检电力线杆时，可清晰发现黄色凸起物，并作出声光提示。
        3.飞行器在巡航结束后降落至A杆处虚线框内时，飞行器会出现抖动现象，但能平稳降落，降落位置偏差距离在5~15cm之间。
        4.飞行器在寻电力线杆和B杆时都可稳定拍摄三张照片，其中拍摄的条形码不能稳定识别，二维码可稳定识别。
        （五）问题分析
        1.飞行器在起飞过程中，机架经常会出现摆动现象，其主要问题是机架未水平、光线过暗导致光流无法正常使用。
        2.飞行器在B杆处转角时，易出现坠机问题，其主要问题为巡线机器人在寻迹时易受外界影响，会出现同时识别多个地面标记，飞行器无法自行辨别。
        3.飞行器在巡检与悬停过程中，常出现掉高、快速上升过程，其主要原因为超声波突变，次要原因为地面不水平的外界干扰。
        4.飞行器人在巡检结束后，所拍摄条形码和二维码大多数无法靠手机识别，其原因是拍摄器件Openmv4像素过低飞行器和飞行器具有正常的抖动现象，拍摄不清晰。
        四、结束语
        通过本次实验研究，飞行器在自动巡航过程中，它的自身飞行过程正常稳定。当加入单独外设在飞行器上时，由于外设与飞行器无直接联系，故无法保证外设器件的正常工作。但其优点是外设操作简单，与飞行器自身无干扰，益于飞行器的安全防护。在未来智能自动飞行器的使用必将广泛使用，因此了解与使用四轴飞行器具极大的研究意义。
        作者简介：
        翟栓（1999.9--），男，汉族，安徽省合肥市人，安徽财经大学本科在读，专业：电子信息与工程。
        基金项目：
        项目名称：基于单片机技术的四轴飞行器控制系统研究与设计（项目编号：201910378258），该项目是2019年国家级项目中的创新训练项目，指导老师：殷红彩。