基于K60的航拍檢測四軸飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)

孫　蕾，馮德旺，景　林，鐘新秀，龔　力

（福建農(nóng)林大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，福建福州350002）

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基于K60的航拍檢測四軸飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)

孫蕾，馮德旺，景林，鐘新秀，龔力

（福建農(nóng)林大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，福建福州350002）

摘要：四軸飛行器技術(shù)成熟、操作簡單，在多旋翼飛行器中應(yīng)用最為廣泛，能夠在惡劣環(huán)境中執(zhí)行拍攝和勘測任務(wù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。采用FreescaLeK60微處理器作為主控芯片實現(xiàn)四軸飛行器的設(shè)計，通過GY-86傳感器模塊獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)，采用PID控制算法實現(xiàn)四軸飛行器的平穩(wěn)飛行。同時，通過5.8G無線網(wǎng)橋搭建固定點的無線圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)航拍檢測。

關(guān)鍵詞：K60；四軸飛行器；航拍檢測

隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，其已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，從軍事上的航拍偵查到農(nóng)林業(yè)中的農(nóng)業(yè)噴灑、火情監(jiān)控，再到娛樂中的航空攝影，無人機(jī)的發(fā)展已進(jìn)入了熱潮。當(dāng)前，亞馬遜公司已在努力推廣無人機(jī)的送貨服務(wù)，同時，舊金山的一些醫(yī)藥公司也開始使用無人機(jī)提供緊急藥物配送服務(wù)。2010年，法國Parrot公司發(fā)布了世界上首款流行的四旋翼飛行器AR.Drone。AR.Drone的面世也推動了四軸飛行器在中國市場上的發(fā)展。2013年1月中國大疆公司推出了帶航拍功能的DJI Phantom四軸飛行器，引領(lǐng)了四軸飛行器發(fā)展的新熱潮。但由于目前主流的航拍四軸飛行器多用于商業(yè)銷售，對其開發(fā)技術(shù)還未進(jìn)行完整的公開，而國內(nèi)外航模愛好者公開發(fā)布的四軸飛行器設(shè)計多是基于Arduino等8位單片機(jī)設(shè)計，由于其I/O接口數(shù)的局限，飛行器功能擴(kuò)展性很差，并沒有將四軸飛行器的優(yōu)勢發(fā)揮出來。同時，由于經(jīng)費(fèi)原因，很多航空護(hù)林總站面臨設(shè)備老化，飛行能力不足等問題，缺乏高效、經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)的飛行平臺。因此本文提出了基于K60主控芯片的航拍監(jiān)測四軸飛行器的設(shè)計，通過實時傳輸航拍圖像執(zhí)行惡劣環(huán)境中的勘測任務(wù)和日常及小范圍監(jiān)測工作。不但成本低，易于實現(xiàn)，而且功能擴(kuò)展性強(qiáng)，為后期功能優(yōu)化和特定領(lǐng)域的定制使用提供了強(qiáng)有力的依據(jù)，尤其可以應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)遙感測繪。

1 四軸飛行器硬件設(shè)計

1.1 四軸飛行器的基本原理

四軸飛行器是一種多旋翼微型飛行器，利用四個旋翼作為飛行引擎實現(xiàn)空中飛行，飛行模式分為“+”模式和“X”模式。飛行器的姿態(tài)涉及到2個空間坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系統(tǒng)和機(jī)體坐標(biāo)系統(tǒng)［2］。地理坐標(biāo)系統(tǒng)是以地球表面為參考的坐標(biāo)系統(tǒng)，機(jī)體坐標(biāo)系統(tǒng)是以飛行器為參考的坐標(biāo)系統(tǒng)。四軸飛行器的飛行姿態(tài)通過控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，提供的升力不同。當(dāng)螺旋槳提供的升力大于、等于或小于機(jī)體重力時，四軸飛行器可分別實現(xiàn)上升、懸停和下降。飛行器的主控板接收來自發(fā)射器的發(fā)射信號并通過PID算法將其轉(zhuǎn)換為控制信號控制電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將控制信號轉(zhuǎn)換為控制電機(jī)的電流實現(xiàn)姿態(tài)控制。飛行姿態(tài)控制如圖1所示：

圖1 四軸飛行器飛行姿態(tài)圖

1.2 四軸飛行器硬件設(shè)計實現(xiàn)

本設(shè)計的四軸飛行器基于K60芯片，基本架構(gòu)主要包括蘇州大學(xué)設(shè)計的飛思卡爾K60主控板，GY-86傳感器模塊，ubLox-GPS模塊，無刷電機(jī)，電子調(diào)速器，電源和遙控通信模塊。主控通過GY-86傳感器模塊得到四軸飛行器當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)和通過無線遙控通信設(shè)備接收的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)一起作為輸入信號輸入到姿態(tài)PID控制器中，PID姿態(tài)控制器通過內(nèi)部計算輸出相應(yīng)的控制信號分別驅(qū)動4個電機(jī)。而視頻傳輸系統(tǒng)作為獨(dú)立模塊，通過SJCAM高清攝像頭和5.8 GHz無線技術(shù)實現(xiàn)視頻圖像抓取和傳輸，實現(xiàn)航拍和導(dǎo)航功能。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖與k60主控芯片

K60系列微控制器具有IEEE1558以太網(wǎng)接口，高速USB 2.0接口和豐富的模擬、通信、定時和外設(shè)控制接口，具有硬件加密以及防篡改探測能力，內(nèi)存可從256 M擴(kuò)展到1 G，同時提供可選的單精度浮點單元、NAND閃存控制器和DRAM控制器。此外內(nèi)部集成了DM9000網(wǎng)卡和網(wǎng)絡(luò)控制模塊，可拓展無線通信功能。

本文使用的飛思卡爾K60主控芯片含有5個通用I/O接口，共100個引腳。GY-86傳感器模塊和GPS模塊都使用I2C協(xié)議進(jìn)行通信，現(xiàn)選用端口D的8、9、10、11號引腳，將其配置為I2C通信模式，GY-86傳感器模塊對應(yīng)I2C0，SCL接PTD8，SDA接PTD9；GPS模塊對應(yīng)I2C1，SCL接PTC10，SDA接PTC11。飛行器通過輸出PWM波對電機(jī)進(jìn)行控制，在K60中使用FTM通道定時器產(chǎn)生PWM信號，將端口C的3、9、11、10號引腳分別接在四軸飛行器的電子調(diào)速器上來輸出控制無刷電機(jī)的PWM脈沖。遙控器和主控通過THRO/ROLL/PITCH/YAW/AUX1/AUX2六個通道進(jìn)行通信，現(xiàn)將遙控接收器的六個通道分別接在端口E的4，5，6，7，8，9引腳并配置為中斷輸入模式進(jìn)行通信。

圖3 k60主控芯片與四軸飛行器實物

GY -86傳感器模塊集成了MEMS傳感器MPU6050、HMC5883L三軸數(shù)字羅盤和MS5611氣壓傳感器，使用I2C協(xié)議與K60主控通信；MPU6050傳感器包含MEMS三軸陀螺儀和MEMS三軸加速度計。

圖4 GY-86模塊

在開發(fā)過程中，為了便于調(diào)試，將整個主控電路分為3大模塊：PCB底板、飛思卡爾K60主控板、GY-86集成電路板。其中利用PCB底板把主要模塊接口引出以避免復(fù)雜繞線。引出接口如下：程序燒寫接口FTDA，串口調(diào)試接口UART，K60、GY-86模塊接口，電子調(diào)速器接口9、3、11、10，遙控器接口THRO、ROLL、PITCH、YAW、AUX1、AUX2。

圖5 底板電路連接圖

四軸飛行器的電機(jī)、電子調(diào)速器和螺旋槳要遵循一定的配置原則。四軸飛行器采用外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，通過控制三色線的時序方向來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。螺旋槳分為正反漿，為了抵消螺旋槳的自旋力，飛行器要求相鄰漿的轉(zhuǎn)動方向相反。電機(jī)提供動力使螺旋槳旋轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的升力越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越小，驅(qū)動的力量越大。同時，螺旋槳尺寸越大，產(chǎn)生的升力也越大，因此大尺寸的螺旋槳要搭配低轉(zhuǎn)速的電機(jī)，小尺寸的螺旋槳要與高轉(zhuǎn)速的電機(jī)搭配，以此來提供足夠的升力。電子調(diào)速器將主控的控制信號轉(zhuǎn)變成電流信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。同時，電子調(diào)速器還起到降壓的作用，將電池供電電壓降到主控所需電壓（一般為5 V）并輸出為主控板供電。

表1 電機(jī)螺旋槳與電子調(diào)速器的配置

2 四軸飛行器軟件設(shè)計

四軸飛行器軟件系統(tǒng)如下圖所示，主控接收遙控器控制信號同時采集傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過互補(bǔ)濾波算法對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)融合、消除累計誤差解算出飛行姿態(tài)角，最后將遙控器的控制信號和姿態(tài)角作為輸入信號通過PID控制算法輸出對應(yīng)的PWM脈沖控制電機(jī)。整個設(shè)計采用C語言作為編程語言，基于飛思卡爾公司的Codewarrior10.1開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，并通過串口下載程序到主控芯片。

2.1 系統(tǒng)初始化與數(shù)據(jù)接收和讀取

首先四軸飛行器上電進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括引腳配置，傳感器模塊中各傳感器初始化，在初始化時將端口E的4，5，6，7，8，9引腳配置為中斷輸入模式接收來自遙控器的控制信號。當(dāng)引腳接收到遙控信號時發(fā)送中斷，執(zhí)行中斷函數(shù)ISR（）。在系統(tǒng)初始化后可以通過構(gòu)建函數(shù)讀取各傳感器數(shù)據(jù)。

2.2 姿態(tài)融合算法

在四軸飛行器的飛行過程中通過傳感器模塊采集其姿態(tài)數(shù)據(jù)，在姿態(tài)數(shù)據(jù)采集過程中，陀螺儀具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，但計算姿態(tài)時，需要對時間進(jìn)行積分運(yùn)算，因此隨著時間的加長會產(chǎn)生累積誤差［5］；三軸數(shù)字羅盤和加速度傳感器測量姿態(tài)時沒有累積誤差，但動態(tài)響應(yīng)較差。因此可以采用互補(bǔ)濾波算法融合姿態(tài)數(shù)據(jù)，解算出四軸的姿態(tài)角，提高姿態(tài)角的準(zhǔn)確度。

利用互補(bǔ)濾波算法對加速度和角速度進(jìn)行融合解算出RoLL和Pitch姿態(tài)角，對于偏航角yaw，需要將角速度和磁場方向數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)濾波，方法與前者類似。

圖7 姿態(tài)解算流程圖

圖中描述了RoLL、Pitch姿態(tài)角所采用的濾波和融合算法［6］：

（1）對于加權(quán)濾波，設(shè)計中使用加權(quán)方法：

式中：表示第k次讀取到的值，1/N為當(dāng)前值所占的權(quán)重。

（2）K代表著對角速度計算的修正量。在對應(yīng)程序中，四軸飛行器三軸姿態(tài)角的解算結(jié)果如下［6］：

2.3 PID控制

PID控制是對系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差分別進(jìn)行比例（P）、積分（I）和微分（D）三種運(yùn)算，然后通過疊加來消除系統(tǒng)偏差的反饋回路控制方法。經(jīng)過姿態(tài)解算得到四軸飛行器當(dāng)前姿態(tài)后，目標(biāo)姿態(tài)與當(dāng)前姿態(tài)將會產(chǎn)生姿態(tài)偏差，為了使飛行器達(dá)到目標(biāo)姿態(tài)，需要采用PID控制算法消除偏差，控制模型如下圖［3］：

比例系數(shù)Kp決定了四軸糾正偏差的力度，Kp越大表示四軸抵抗外力的強(qiáng)度越強(qiáng)，但Kp太大會引起四軸飛行器發(fā)生震蕩甚至側(cè)翻，太小會導(dǎo)致糾正力不足。積分系數(shù)Ki調(diào)節(jié)累積偏差，直至累積偏差為零。如果Ki值太小，將無法抑制因Kp過大而引起的震蕩；如果Ki值太大，則會降低PID調(diào)節(jié)的反應(yīng)能力。微分系數(shù)Kd能有效抑制下一時刻可能發(fā)生的傾斜。

運(yùn)用PID控制原理和參數(shù)分別對ROLL、PITCH、YAW三個通道的控制量進(jìn)行計算，輸出PID控制量axisPID［］=PTerm + ITerm-Dterm［3］。對于PID控制中Kp、Ki、Kd的確定，在控制理論中需要測定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，本文利用試驗法得到PID參數(shù)組合，使其達(dá)到理想的控制狀態(tài)P，I，D均為0。其參數(shù)調(diào)試過程如下所示：

1.增大P，觀察P對四軸飛行狀態(tài)的影響直到其發(fā)生強(qiáng)烈震蕩，再減小P。P=0.5，響應(yīng)很慢，但不會發(fā)生震蕩；P=1.0，響應(yīng)稍微變快，但不會發(fā)生震蕩；P=2，響應(yīng)變快，但不會發(fā)生震蕩；P=3，發(fā)生震蕩，但震蕩慢慢衰減；*取P=3繼續(xù)調(diào)試。

2.加入D值，觀察D對震蕩的控制能力；D過小會發(fā)生過沖，過大會發(fā)生遲滯，以稍微過沖為佳。P=3，D=5，有較大的過沖和少量的震蕩，衰減很快；D=10，仍有過沖，幅度減??；D=15，少量過沖；D=20，少量過沖；D=25，沒有過沖，但反應(yīng)變的遲緩；*取D=12繼續(xù)調(diào)整。

在相控陣檢測中，對于發(fā)射與接收部分，其核心是通過延時使各晶元發(fā)射超聲波到達(dá)檢測區(qū)域某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聲速偏轉(zhuǎn)和聲能聚焦，如圖4、圖5。超聲聲束的控制方式主要有聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦以及偏轉(zhuǎn)和聚焦的組合控制3種形式。

圖8 PID模型圖

3.加入I值，觀察I對偏差的修正能力，I加快了響應(yīng)速度，但也會導(dǎo)致過沖或振蕩。P=3，D=20，I=0.01明顯修復(fù)偏差，但仍然存在；I=0.02仍存在偏差；I= 0.03，偏差基本消除但產(chǎn)生了少量過沖；I=0.04，產(chǎn)生明顯過沖；I=0.026，以0.002為間隔在I=0.03臨界點處上下浮動，觀察四軸飛行器的飛行狀態(tài)，此刻偏差幾乎消失，同時沒有產(chǎn)生過沖。

4.以P=3，D=30，I=0.04繼續(xù)調(diào)節(jié)，直到飛行器狀態(tài)穩(wěn)定并與P=3，I=0.026，D=12這一狀態(tài)對比，取最佳飛行狀態(tài)。

圖9 PID參數(shù)調(diào)試及上位機(jī)PID參數(shù)顯示

2.4 電機(jī)控制

通過PID控制算法，計算出姿態(tài)角上的PID控制量，然后再基于遙控油門值rcCommand［THROTTLE］計算出電機(jī)的控制量，最后以PWM脈沖形式輸出控制電機(jī)。FTM_PWM［］代表電機(jī)的控制量，在write_FTM（）函數(shù)中將FTM_PWM［］寫入寄存器，程序如下：

3 航拍系統(tǒng)設(shè)計

本飛行器主要用來實現(xiàn)惡劣環(huán)境中的勘探和日常及小范圍監(jiān)測，因此圖像傳輸無法通過有線閉路來實現(xiàn)，需要采用無線技術(shù)。無線圖像傳輸系統(tǒng)從應(yīng)用上可分為兩大類：固定點圖像監(jiān)控傳輸系統(tǒng)、移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)。但移動視頻圖像傳輸系統(tǒng)多用于現(xiàn)場實時監(jiān)控，因此本文主要采用基于5.8G頻段的固定點圖像傳輸系統(tǒng)。

5.8 GHzWLAN產(chǎn)品采用正交頻分復(fù)用技術(shù)，在此頻段的WLAN產(chǎn)品基于IEEE802.11a協(xié)議進(jìn)行通信，一般傳輸速率可以達(dá)到54 Mbit/s。根據(jù)WLAN的傳輸協(xié)議，在點對點應(yīng)用時有效速率為20 Mbit/s，在點對六點應(yīng)用時每路圖像的傳輸速率約500 kbit/s。對于無線圖像傳輸而言，基本解決了“高清數(shù)字圖像在無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸”問題。然而5.8 GHzWLAN產(chǎn)品雖然可以滿足四軸飛行器視頻偵察傳輸要求，但為了減輕傳輸負(fù)擔(dān)，降低誤碼率，扔需要對視頻進(jìn)行壓縮。因此圖像傳輸時先由視頻壓縮編碼模塊進(jìn)行H.264壓縮編碼，然后將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)通過RTP數(shù)據(jù)包經(jīng)無線傳輸模塊傳送到客戶端。

由于5.8 GHzWLAN產(chǎn)品技術(shù)未公開，本設(shè)計采用5.8G無線傳輸設(shè)備成品進(jìn)行圖像傳輸，包括TS351發(fā)射器和RC805接收器。視頻采集通過云臺搭載Sjcam1080P高清攝像頭抓取視頻圖像來實現(xiàn)。對云臺的控制需要通過俯仰和橫滾兩個通道，在遙控器的接收端選擇通道AUX1、AUX2接收云臺的控制信號，使遙控器可以同時控制四軸飛行器的飛行姿態(tài)和云臺的拍攝角度。在云臺控制器上搭載HDMI-SDI轉(zhuǎn)換器將Sjcam收集到的視頻圖像轉(zhuǎn)換為SDI信號，通過TS351無線發(fā)射器將信號發(fā)射到控制端進(jìn)行接收查看。

圖像傳輸具體過程為：攝像頭將采集到的實時視頻傳送給TS351發(fā)射器，TS351發(fā)射器將實時視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后通過無線信號SDI發(fā)送給RC805接收器，接收器將接收的數(shù)據(jù)通過EasyCap視頻采集卡送入上位機(jī)顯示。

圖10 云臺圖像發(fā)射與地面控制接收系統(tǒng)

圖11 四軸飛行器自穩(wěn)飛行

4 結(jié)論

本文主要實現(xiàn)了基于k60的航拍檢測四軸飛行器的設(shè)計，采用飛行控制系統(tǒng)和航空拍攝系統(tǒng)兩個相互獨(dú)立的模塊完成航拍監(jiān)測任務(wù)，使用5 200 mAh蓄電池供電，飛行器可以持續(xù)飛行40 min。在試驗過程中飛行較穩(wěn)定，能達(dá)到預(yù)期的抗干擾能力，可以實時將圖像傳輸至控制端完成監(jiān)測任務(wù)。

基于K60的四軸飛行器系統(tǒng)與國內(nèi)外流行的開源Arduino四軸飛行器相比，其功能擴(kuò)展性得到了極大的提高，由于其具有豐富的I/O接口，可以采用一個GY-86模塊實現(xiàn)所有姿態(tài)數(shù)據(jù)的讀取，控制靈敏度高，穩(wěn)定性好，大大降低了設(shè)計成本，同時由于其主控芯片攜帶DM9000無線網(wǎng)卡，可實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的視頻傳輸，這將會使后續(xù)研究中使用移動設(shè)備進(jìn)行實時隨地監(jiān)測成為可能。此外，文章提出了使用5.8 G無線傳輸技術(shù)進(jìn)行航拍視頻傳輸，將5.8 G無線技術(shù)與無人機(jī)結(jié)合起來，這將大大降低航拍視頻傳輸成本。但限于目前電池技術(shù)水平，飛行器的飛行時間相對較短，這也為小型無人機(jī)發(fā)展提出了新的要求。

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（責(zé)任編輯：夏婷婷）

Design and Implementation of Four Axis Aircraft Based on K60 for Aerial Detection

SUN Lei，F(xiàn)ENG Dewang，JING Lin，ZHONG Xinxiu，GONG Li

（SchooL of Computer and Information Science，F(xiàn)ujian AgricuLture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002）

Abstract:Four-axis aircrafts have been used in various sectors for its simpLe operation and mature technoLogy. It is possibLe to perform shooting and detection tasks in harsh environments. In this paper，we use the FreescaLeK60 microprocessor as the master chip to design the aircraft.At the same time，we use PID controL aLgorithm to achieve the smooth aviation and acquirethe attitude data via GY-86 sensor moduLes. MeanwhiLe，we empLoythe 5.8G wireLess bridge to buiLd a wireLess image transmission system to achieve thefunction of aeriaL detection.

Key words:K60；axis aircraft；aeriaL detection

中圖分類號：TP368，S49

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2109（2016）03-0084-06

收稿日期：2015-11-17

基金項目：福建省自然科學(xué)基金資助項目（2012J01190）；福建省科技廳資助項目（2012J01191）

作者簡介：孫蕾（1992-），女，漢族，在讀碩士研究生，主要從事嵌入式技術(shù)研究。