基于MWC開源飛控軟件的航拍設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋玉春，唐途亮，吳創(chuàng)彬，劉思廣，宋鴻輝，謝國(guó)灝

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系，韶關(guān) 512000）

基于MWC開源飛控軟件的航拍設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋玉春，唐途亮，吳創(chuàng)彬，劉思廣，宋鴻輝，謝國(guó)灝

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系，韶關(guān) 512000）

1　飛行器的工作原理

四軸飛行器是4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種飛行器。它的修正原理跟直立小車以及倒立擺都有很多類似的地方，例如都是通過(guò)陀螺儀與加速度計(jì)采回?cái)?shù)據(jù)擬合成角度數(shù)據(jù)，供給系統(tǒng)計(jì)算后得到電機(jī)的修正量再轉(zhuǎn)化成電機(jī)輸出。這里我們暫且將飛行器、小車、倒立擺稱為對(duì)象，當(dāng)對(duì)象處于平衡自穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，假設(shè)有一個(gè)外力使其向前傾，系統(tǒng)得到角度數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)化為電機(jī)輸出，對(duì)象向哪邊偏，電機(jī)便往哪邊輸出更多的占空比。就像我們用手托著一根木棒想使其平衡，當(dāng)我們的眼睛看到木棒往哪邊倒，大腦變回控制我們的手部動(dòng)作使其像傾倒的地方運(yùn)動(dòng)，來(lái)回運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)平衡。在這里木棒就是我們的對(duì)象，大腦就像處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，手掌則為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，眼睛就可以當(dāng)做角度采集的傳感器。

1.2四軸飛行器的飛行狀態(tài)

四軸飛行器按照電機(jī)軸的布置方式可分為十字模式和X模式，以下飛行狀態(tài)在X模式下討論。

上升與下降：當(dāng)四個(gè)電機(jī)同時(shí)增大或減少輸出量時(shí)，飛行器便可上升或減少；

圖1　保持木棒平衡的反饋控制

前后及左右：當(dāng)相鄰的兩個(gè)電機(jī)的輸出量大于另外兩個(gè)電機(jī)時(shí)，飛行器便可實(shí)現(xiàn)前后左右運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡姍C(jī)輸出較弱的一方；

旋轉(zhuǎn)：當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)；

翻轉(zhuǎn)：當(dāng)對(duì)邊的兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速比另一邊的兩個(gè)電機(jī)大到一定程度時(shí)，飛行器變回翻轉(zhuǎn)。

2　控制器硬件設(shè)計(jì)

四軸飛行器由飛控板、電池、電調(diào)、電機(jī)、螺旋槳、機(jī)架和遙控器等基本部件組成。而飛控板為核心。除此之外，本項(xiàng)目還將搭載一臺(tái)攝像頭以及用于攝像頭穩(wěn)定的云臺(tái)進(jìn)行圖像采集。

圖2　X模式的四軸飛行器

本項(xiàng)目采用MWC開源項(xiàng)目的飛控板，其成品如圖3，主要有以下部分構(gòu)成：主控芯片ATmega328P、加速度計(jì)和陀螺儀MPU6050、磁力計(jì)HMC5883L、氣壓計(jì)MS5611。

圖3　MWC飛控板

MPU6050（圖4）是InvenSense公司生產(chǎn)的芯片，其內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀 （即三軸角速度計(jì)），其數(shù)據(jù)通過(guò)I2C來(lái)讀取相應(yīng)地址獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以設(shè)置適當(dāng)?shù)牡屯V波頻率和陀螺儀采樣率來(lái)調(diào)節(jié)加速度計(jì)和陀螺儀的靈敏度。

HMC5883L（圖5）磁力計(jì)三軸磁阻傳感器和ASIC都被封裝在的LCC表面裝配中，12-bit的ADC與低干擾AMR傳感器能在±8高斯的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)5毫高斯分辨率，能讓羅盤航向精度精確到1°～2°。低工作電壓（2.16-33.6V）和低功耗（100μA）。內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，帶置位/復(fù)位和偏置驅(qū)動(dòng)器用于消磁、自測(cè)和偏移補(bǔ)償。同時(shí)使用I2C通訊手段。

圖4　加速度傳感器MPU6050模塊原理圖

圖5　磁力計(jì)HMC5883L模塊原理圖

MS5611（圖6）氣壓傳感器的通訊方式是SPI和I2C總線接口的氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)低功耗的24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。MS5611提供了24位數(shù)字壓力值和溫度值以及其他的操作模式，可以提高轉(zhuǎn)換速率并優(yōu)化電流消耗。通信協(xié)議簡(jiǎn)單，無(wú)需在設(shè)備內(nèi)部寄存器編程。MS5611壓力傳感器本身尺寸較小可以集成在微型設(shè)備當(dāng)中。

ATmega328P（圖6）芯片是高性能，低功耗的AVR （R）8位微控制器，具備2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立比較模式和預(yù)分頻器；1個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有獨(dú)立預(yù)分頻器、比較功能和捕捉模式；實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器有6個(gè)PWM通道且有獨(dú)立振蕩器。

圖6　氣壓計(jì)MS5611模塊原理圖

圖7　ATmege328P芯片控制原理圖

3　實(shí)時(shí)拍攝系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程即時(shí)監(jiān)控，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)四軸航模專用的視頻采集、圖像壓縮和無(wú)線傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為空中系統(tǒng)和地面系統(tǒng)兩部分。空中系統(tǒng)要求采集裝置安裝在四軸航模機(jī)身上，完成錄像與以5.8GHz無(wú)線技術(shù)完成圖像的無(wú)線傳輸。地面系統(tǒng)在地面上利用液晶顯示屏為主體，配合無(wú)線數(shù)據(jù)接受裝置與A/D，完成視頻的接受、顯示工作。四軸航?？捎傻孛嫒藛T遙控飛行，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將航模飛行地區(qū)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給地面接收，受地面條件影響較小，可以無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地監(jiān)視人類無(wú)法進(jìn)入或者難以進(jìn)入的地方。其主要的工作原理如圖8。

同時(shí)，同時(shí)出于對(duì)于航拍穩(wěn)定性的要求，本設(shè)計(jì)將采取將攝像頭搭載在云臺(tái)系統(tǒng)中的方式保證航拍圖像的穩(wěn)定。

云臺(tái)系統(tǒng)能夠在飛行過(guò)程中削減飛行抖動(dòng)對(duì)拍攝系統(tǒng)采集圖像穩(wěn)定的影響。他能在系統(tǒng)發(fā)生傾斜時(shí)迅速做出分析處理保證拍攝系統(tǒng)的穩(wěn)定。其基本原理是通過(guò)加速度傳感器采集云臺(tái)當(dāng)前的狀態(tài)之后，跟標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)行比較之后得到偏差，將此偏差通過(guò)云臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行PID運(yùn)算之后得到對(duì)應(yīng)的修正量，再把修正量輸出到電機(jī)進(jìn)行修正。

圖8　遠(yuǎn)程即時(shí)監(jiān)控原理

若需要把視頻接收并用PC處理的話，便需要把視頻信號(hào)數(shù)字化，無(wú)線接收模塊輸出的為PAL格式的模擬視頻信號(hào)，720×625的分辨率。視頻簡(jiǎn)單地說(shuō)就是活動(dòng)圖像。模擬視頻信號(hào)解碼并量化成連續(xù)的數(shù)字視頻流后所包含的一些信號(hào)元素：模擬視頻信號(hào)每秒25幀，每幀周期40ms，而每幀又分為2場(chǎng)，每場(chǎng)20ms，先輸出的是奇場(chǎng)，然后是偶場(chǎng)，奇場(chǎng)的行號(hào)為第l至312．5行，偶場(chǎng)的行號(hào)為第312.5至625行，其中，奇場(chǎng)的第23.5至310行包含有效的視頻信號(hào)，偶場(chǎng)的第336至622．5行包含有效的視頻信號(hào)．把模擬視頻信號(hào)解碼為ⅥⅣ分量后，分別進(jìn)行A/D量化樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻流，時(shí)間上也應(yīng)該是按上面的順序依次輸出。

圖9　參數(shù)調(diào)試界面GUI

主要的視頻壓縮算法包括：M-JPEG、Mpeg、H.264、Wavelet（小波壓縮）、JPEG2000、AVS。

H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)，視頻信號(hào)數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量是驚人得，為了需要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理，可以嘗試采用H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4　調(diào)試

飛行器在安裝完畢之后需要經(jīng)過(guò)調(diào)試之后才可試飛。調(diào)試項(xiàng)目包括接收機(jī)與遙控器的對(duì)碼、電調(diào)油門行程校準(zhǔn)、MWC飛控板的各項(xiàng)參數(shù)配置。飛控板的GUI界面如下，通過(guò)調(diào)整合適的參數(shù)保證飛行器在飛行過(guò)程的穩(wěn)定。

通過(guò)GUI調(diào)整好飛行器各項(xiàng)參數(shù)后，飛行能夠進(jìn)行穩(wěn)定的飛行。本項(xiàng)目小組在飛行器能夠穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)上搭載云臺(tái)及攝像頭，在編寫適當(dāng)?shù)某绦蛑笸ㄟ^(guò)5.8GHz的無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行圖像的即時(shí)傳輸。

［1］劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

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Four Axis Aircraft；Aerial Photography；MWC；Open Source

Design and Implementation of Aerial Photography on Open Source and Aircraft Control MWC Software

SONG Yu-chun，TANG Tu-liang，WU Chuang-bin，LIU Si-guang，SONG Hong-hui，XIE Guo-hao
（Department of Physics and Electrical Engineering，Shaoguan College of Automation，Shaoguan 512005）

1007-1423（2015）36-0054-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.013

宋玉春（1973-），男，遼寧凌源人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、工業(yè)控制

唐途亮（1994-），男，廣東佛山人，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生

吳創(chuàng)彬（1994-），男，廣東惠來(lái)人，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生

劉思廣（1994-），男，廣東汕尾人，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生

宋鴻輝（1996-），男，廣東湛江人，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生

謝國(guó)灝（1994-），男，廣東湛江人，韶關(guān)學(xué)院自動(dòng)化系學(xué)生

2015-11-03

2015-12-03

四軸飛行器可用于運(yùn)輸貨物、拍攝、飛行研究、玩具等眾多領(lǐng)域，也是當(dāng)前研究的一個(gè)熱門課題。介紹四軸飛行器的飛行原理、基本控制思路、調(diào)試、操縱，和低空拍攝的實(shí)現(xiàn)。然后以MWC開源飛控為設(shè)計(jì)核心，設(shè)計(jì)一套四軸飛行器的控制系統(tǒng)，并通過(guò)外圍模塊編寫適當(dāng)?shù)某绦驅(qū)崿F(xiàn)飛行器航拍的即時(shí)傳輸。由于四軸飛行器具有高度靈活性，所以使用它做載具可以代替人類輕易跨越復(fù)雜的地形進(jìn)行航拍、實(shí)時(shí)采集信息。

四軸飛行器；航拍；MWC；開源

韶關(guān)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（No.201510576009）

The application of four axis aircraft to transportation，aerial photography，flight research，toy and in many other fields，is also a topical issue in the currently research.Discusses the flight principle，essential control conception，debugging and low-altitude photography of four axis aircraft.Designs a control system of four axis aircraft，which is based on the opened source and flight control of MWC and the instant transmission of aerial photography is programmed with peripheral module.With high flexibility，four axis aircraft takes place of human being used as a vehicle for aerial photography and information acquisition in the complex topography.