具有路徑跟蹤與圖像識別功能的飛行器系統(tǒng)平臺的研制

馮強 楊鑫 田曉洋 劉智平 石俊 熊杰

摘 要：無人機是一種由無線電遙控設備或自身程序控制裝置操縱的無人駕駛飛行器。針對路徑跟蹤和圖像識別功能的UAV，我們提出的在線路徑跟蹤與圖像識別，以STM32F103VCT6作為主控芯片、四元數(shù)算法為解算核心，我們的工作的特點：①GPS定位系統(tǒng)測得UAV的距離在10米以內(nèi)。②圖像可以實時傳回。③圖像傳輸用鷹眼攝像頭，數(shù)據(jù)總線頻率低，傳輸穩(wěn)定。

關鍵詞：無人機；圖像識別功能；飛行器系統(tǒng)平臺

1引言

最早的無人機出現(xiàn)在20世紀20年代，當時只是作為訓練用的靶機。1955年到1974年的越南戰(zhàn)爭中，無人機被用于執(zhí)行軍事任務，此后無人機在軍事活動中的身影頻頻出現(xiàn)，從最初的靶機到后來發(fā)展到具有跟蹤、情報收集、通訊、甚至戰(zhàn)斗的功能。無人機被譽為現(xiàn)代戰(zhàn)場的“千里眼”和“殺手锏”。隨著社會的發(fā)展，無人機的應用領域也從軍用擴展到了民用領域，在農(nóng)業(yè)領域應用使得傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生變革，無人機是將繁重的體力勞動，低效益向解放生產(chǎn)力，高效益轉(zhuǎn)變的重要手段，無人機技術的深入和使用將使現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕作變得更高效、更節(jié)約資源。無人機技術的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是簡單的飛行，其兼?zhèn)涞呐恼諗z像，運輸傳送，定位跟蹤等一系列功能都使得無人機成為一個巨大的工具，全面地為人類社會服務。本文設計研制一臺具有路徑跟蹤功能的飛行器一架，通過硬件搭建和軟件配合使得飛行器能夠完成四個通道的基本飛行，并在飛行器系統(tǒng)上加載GPS模塊，使其具有路徑規(guī)劃和圖像識別功能。

2硬件設計

2.1設計思路

在用F450機架上安裝無刷電機，并與無刷電子調(diào)速器連接，電子調(diào)速器與飛控板輸出控制信號連接，電池組給飛控板和無刷電子調(diào)速器供電。

2.2 硬件模塊

飛控板采用Cortex-M3系列的STM32F103VCT6作為主控芯片，傳感器主要使用陀螺儀、加速度計、地磁傳感器、氣壓高度計；無刷電子調(diào)速器；無刷電機；電池組；電壓轉(zhuǎn)換模塊；超聲波模塊；遙控器等。

2.3硬件組成

2.3.1飛控板組成元器件：STM32F103VCT6、MPU6050、HMC5883L、MS5611、AT45DB161 Flash芯片、CP2102 串口芯片、JTAG接口

① STM32F103VCT6：32-bit ARM Cortex-M3微控制器，接收不同類型的傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送對無刷電子調(diào)速器的控制信號，工作頻率72MHz

② MPU6050：集成了3軸MEMS陀螺儀，3 軸MEMS加速度計，連接一個第三方的數(shù)字傳感器

③ HMC5883L：數(shù)字接口的三軸弱磁傳感器，測量范圍從毫高斯到8高斯，羅盤精度控制在1°—2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

④ MS5611：采用SPI和I2C總線接口，分辨率可達10cm的氣壓傳感器

⑤ AT45DB161D-SU：存儲容量為16 Mbit 的Flash存儲芯片

⑥ CP2102：USB轉(zhuǎn)串口芯片

⑦ JTAG接口：JTAG接口用于硬件調(diào)試，方便使用J-Link調(diào)試程序

2.3.2選購合適的外圍硬件，搭建飛行器的硬件框架

①機架大小的估計計算公式：槳葉的英寸P，機架軸距M

（1）

②電調(diào)的選用時注意大的電流的電調(diào)兼容用在小電流的地方。

③電機選用時，一般選擇無刷電機，無刷電機力氣大，噪聲小，穩(wěn)定性高。

④槳葉選擇時與電機搭配。

3軟件設計

3.1算法控制律設計

通過對四個裝槳的無刷電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實現(xiàn)了調(diào)節(jié)四旋翼飛行器姿態(tài)，由4個無刷電機的不同轉(zhuǎn)速組合實現(xiàn)了四旋翼的俯仰、偏航、橫滾等飛行姿態(tài)，并通過3個姿態(tài)控制通道設計PID控制律。

為了增加飛行器的穩(wěn)定性提高控制性能，控制角速度，采用角度/角速度串級PID控制算法。兩個PID控制算法，串在一起，增強系統(tǒng)的抗干擾性（增強穩(wěn)定性），使得飛行器的適應能力更強。

整定串級PID時是先整定內(nèi)環(huán)PID參數(shù)，再整定外環(huán)P參數(shù)。

內(nèi)環(huán)P：數(shù)值由小到大，數(shù)值比較大時，四軸高頻震動，過幾秒鐘后穩(wěn)定；繼續(xù)增大，可能出現(xiàn)翻機。

內(nèi)環(huán)I：積分用來消除靜差，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。它的數(shù)值從小到大，四軸定在一個位置不動，不再往下掉；繼續(xù)增加I的值，四軸不穩(wěn)定。

內(nèi)環(huán)D：微分項D為標準的PID原理下的微分項，即本次誤差-上次誤差。數(shù)值從小到大，四旋翼的性能沒有多大改變，回中的時候更加平穩(wěn)，D項屬于輔助項。

外環(huán)P：當內(nèi)環(huán)PID全部整定完成后，四旋翼已經(jīng)可以穩(wěn)定在某一位置。內(nèi)環(huán)P，從小到大，飛機從傾斜位置回中，給外力時，它會慢速回中，達到平衡位置。

3.2姿態(tài)解算

系統(tǒng)軟件設計采用Keil MDK-ARM的編譯器，MDK包含KeilC編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實時內(nèi)核等組件，支持所有基于ARM的設備。

采用四元數(shù)算法對機體姿態(tài)解算。姿態(tài)角通過陀螺儀、加速度計和數(shù)字羅盤測量得到。陀螺儀測量出來的姿態(tài)輸出給主控芯片以計算控制量；加速度計和數(shù)字羅盤測量得到地球重力與地球磁場在機體空間坐標上的分量，是實際姿態(tài)。陀螺儀輸出解微分方程可得到更新后的四元數(shù)，通過四元數(shù)和方向余弦矩陣中元素的對應關系解算方向余弦矩陣微分方程。

飛行器的姿態(tài)信息是由世界坐標系和機體坐標系之間的旋轉(zhuǎn)關系確定。分設飛行器的滾轉(zhuǎn)角Φ、偏航角Ψ、俯仰角θ，從地理系向機體系旋轉(zhuǎn)，首先沿著地球系的Z軸轉(zhuǎn)動Ψ，再繞中間的Y軸轉(zhuǎn)動θ，然后繞中間系的X軸轉(zhuǎn)動Φ。

四元數(shù)和方向余弦矩陣（姿態(tài)矩陣 ）間的關系：

VX，Vy，Vz為陀螺儀積分后的姿態(tài)推算的重力向量。

加速度計實際測量得到機體坐標系的重力向量。aX，ay，az。陀螺儀和加速度計的重力分量間存誤差，測出來的姿態(tài)間的誤差規(guī)范化處理 aX，ay，az

陀螺儀體軸角速度修正后，得到更新四元數(shù)：

其中 Pi（n+1），i=0，1，2，3為更新的四元數(shù)；Pi（n），i=0，1，2，3修正陀螺儀體軸角速度ωx（n），ωy（n），ωz（n）；T為陀螺采樣周期。從而最終的得到載體姿態(tài)角的計算公式：

（6）

3.3圖像識別功能的實現(xiàn)

3.3.1鷹眼攝像頭

利用野火stm32所帶的鷹眼野火攝像頭，野火硬件攝像頭，速率去噪點能力極強，直接輸出二值化圖像，一次輸出8個像素。圖像像素先輸出高位，后輸出低位，輸出順序是從左到右

3.3.2圖像采集思路

①開場中斷；②啟行中斷；③行中斷for循環(huán)延時采集圖像；④關閉行中斷，圖像采集完畢。

4系統(tǒng)測試

將做好的電路板加上5V電源，加電后檢測電路連接是否有短路和斷路故障，依據(jù)原理圖在各主要電路節(jié)點上用萬用表檢測電路連接是否有故障。再檢測各芯片通電情況，檢查芯片電源引腳上所加的電壓是否在芯片所要求的電壓范圍內(nèi)。

將飛控代碼下載到飛控板，進行地面調(diào)試，檢測系統(tǒng)是否接收遙控器信號，電機轉(zhuǎn)向是否正常。進行外場試飛，檢測系統(tǒng)飛行姿態(tài)是否穩(wěn)定，對控制信號響應是否迅速。

第一步的仿真試驗已經(jīng)完成，第二部的室內(nèi)測試正在進行。

5結(jié)論

本文將無人機的路徑跟蹤與圖像識別功能結(jié)合在一起，通過測驗達到了預期的效果。不論從軍用還是民用的角度來看無人機的路徑跟蹤與圖像識別功能將是未來發(fā)展的趨勢，并且在無人機領域?qū)泻芎玫陌l(fā)展空間。

致謝：感謝大學生創(chuàng)新計劃項目（編號 201410702056）的資助；感謝劉智平老師、石俊老師、熊杰老師的耐心指導他們以嚴謹?shù)膶W術態(tài)度和誨人不倦的風尚幫助和教導我們改正錯誤，不斷提高。老師勤懇的工作態(tài)度、一絲不茍的治學方法和誨人不倦的教學精神給我留下了深刻的印象，使課題組全體同學受益非淺，他們淵博的知識開拓了我們的視野，必將在將來的工作和學習中激勵我們繼續(xù)努力。

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（作者單位：西安工業(yè)大學）