一種采用紅外制導(dǎo)的智能飛行器設(shè)計(jì)

蔡昕翰 戴晟偉 王子浩 林凡 阮玉鎮(zhèn)

摘 要：提出了一種空中智能姿態(tài)調(diào)整飛行器的設(shè)計(jì)方案。該方案采用STM32F4系列芯片單片機(jī)作為主控制器，飛行器的設(shè)計(jì)結(jié)合了陀螺儀、涵道、舵機(jī)、紅外線傳感器等器件。該飛行器具有制導(dǎo)能力，可在空中調(diào)整飛行姿態(tài)。

關(guān)鍵詞：紅外制導(dǎo);智能姿態(tài)調(diào)整;STM32F4單片機(jī)

0 引言

本項(xiàng)目來(lái)源于全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽ROBOMASTER機(jī)甲大師賽中的飛行器設(shè)計(jì)。機(jī)甲大師賽以機(jī)器人射擊對(duì)抗作為比賽的主要內(nèi)容，在比賽中，飛行器主要是通過(guò)擊打距離28 m外的目標(biāo)物來(lái)獲得分?jǐn)?shù)，目標(biāo)物上有LED紅外燈珠作為飛行器視覺(jué)識(shí)別的對(duì)象，比賽要求飛行器能夠在ROBOMASTER機(jī)甲大師賽官方所規(guī)定的發(fā)射口發(fā)射后，依靠水平尾翼和垂直尾翼在空中調(diào)整姿態(tài)，平穩(wěn)飛行，并且飛行器需要在接近目標(biāo)時(shí)，檢測(cè)到目標(biāo)，并及時(shí)調(diào)整姿態(tài)，然后依靠慣性，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行打擊，使目標(biāo)物的壓力傳感器檢測(cè)到飛行器。

1 設(shè)計(jì)原理

作為一種具有制導(dǎo)能力的飛行器，需具備能夠追尋目標(biāo)和改變自身運(yùn)動(dòng)的能力。該飛行器通過(guò)控制水平尾翼和垂直尾翼來(lái)調(diào)整飛行姿態(tài)，當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)，通過(guò)飛行器前頭的紅外傳感器感受光信號(hào)，及時(shí)調(diào)整姿態(tài)，使得該飛行器能準(zhǔn)確擊中紅外目標(biāo)。它通過(guò)調(diào)節(jié)水平尾翼的上下擺動(dòng)產(chǎn)生升力抵消飛行過(guò)程的翻轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)垂直尾翼的左右擺動(dòng)調(diào)節(jié)飛行器的偏轉(zhuǎn)方向，以實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行平穩(wěn)可控。

設(shè)計(jì)目標(biāo)：視覺(jué)識(shí)別LED紅外燈珠擊打距離28 m外的目標(biāo)物。

1.1? ? 紅外制導(dǎo)的設(shè)計(jì)

放置在飛行器機(jī)頭的攝像頭如圖1所示，通過(guò)紅外反饋視覺(jué)信息，在快到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，能夠識(shí)別到特別的視覺(jué)信息，這時(shí)單片機(jī)需要另一套驅(qū)動(dòng)程序來(lái)應(yīng)對(duì)最后的制導(dǎo)。由于前面飛行器的軌跡未必會(huì)次次相同，所以需要保證飛行器可以在1 m范圍內(nèi)檢測(cè)到目標(biāo)，并且迅速調(diào)整姿態(tài)。通過(guò)多次測(cè)試并觀察記錄數(shù)據(jù)，多次進(jìn)行程序的測(cè)試，最后實(shí)現(xiàn)在可允許的誤差范圍內(nèi)精準(zhǔn)制導(dǎo)。

1.2? ? 姿態(tài)調(diào)整部分的設(shè)計(jì)

該飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)水平尾翼的上下擺動(dòng)產(chǎn)生升力抵消飛行過(guò)程的翻轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)垂直尾翼的左右擺動(dòng)調(diào)節(jié)飛行器的偏轉(zhuǎn)方向。以圖2所示的陀螺儀反饋的角度作為輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)入PID控制函數(shù)來(lái)控制涵道的開(kāi)關(guān)以及輔助翼面的舵機(jī)姿態(tài)調(diào)整。姿態(tài)調(diào)整將依據(jù)理論上的高度對(duì)應(yīng)其角度和多次的實(shí)際測(cè)試來(lái)確定偏離的角度以及回調(diào)的速度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以單片機(jī)為主體控制，連接供電裝置、舵機(jī)以及涵道和紅外裝置等設(shè)備，具體框架如圖3所示。

系統(tǒng)硬件主要由STM32F407VET6芯片、H219陀螺儀芯片、OpenMV模塊、系統(tǒng)3.3 V供電、板載DC-DC5 V供電、外部輸出DC-DC5 V、紅外制導(dǎo)設(shè)備供電系統(tǒng)等部分組成。在有限的4 cm×6 cm面積內(nèi)很大程度集成了飛行器所需要的功能元器件，同時(shí)保證各部分供電安全可靠。H219陀螺儀是為飛行器提供飛行姿態(tài)判斷、調(diào)整依據(jù)的重要設(shè)備，它可以準(zhǔn)確而迅速地提供航向角、橫滾角以及俯仰角這3個(gè)重要數(shù)據(jù)。紅外制導(dǎo)部分OpenMV4是一個(gè)開(kāi)源、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊。在小巧的硬件模塊上，用C語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，提供Python編程接口。

2.2? ? 軟件設(shè)計(jì)

本程序采用C語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境為keil 5。其工作流程：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，運(yùn)行設(shè)定的擊打控制方案，通過(guò)陀螺儀反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整舵機(jī)和涵道的動(dòng)作，接近目標(biāo)后使用攝像頭通過(guò)紅外反饋視覺(jué)信息，在快到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，識(shí)別到特別的視覺(jué)信息，這時(shí)單片機(jī)需要另一套驅(qū)動(dòng)程序來(lái)應(yīng)對(duì)最后的制導(dǎo)。飛行器確定擊打到目標(biāo)或撞擊之后斷電。程序流程如圖4所示。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1? ? MATLAB仿真

飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)受到3個(gè)方向（Lateral axis，Longitudinal axis，Normal axis，在此依次簡(jiǎn)稱(chēng)x、y、z軸）的力與力矩，運(yùn)用牛頓第一定律可得知3個(gè)方向的速度、角加速度情況。以Missle DATCOM為例得到必要的系數(shù)，然后基于MATLAB Simulink軌跡仿真，如圖5所示，接著將DATCOM與CFD結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，最后得到Simulink軌跡仿真結(jié)果，如圖6所示。

當(dāng)做完軌跡仿真后，飛行器按照預(yù)定參數(shù)進(jìn)行配置，制作出樣機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)飛行器在空中的穩(wěn)定飛行。

3.2? ? 實(shí)驗(yàn)

3.2.1? ? 飛行器實(shí)物圖和設(shè)計(jì)圖

圖7所示飛行器的翼展為120 mm，機(jī)身長(zhǎng)180 mm，垂尾高80 mm，預(yù)期重量150 g，目前重量144 g。翼型選用的是EPPLER 67，翼的弦長(zhǎng)為100 mm，最大厚度為10.6 mm，前緣半徑為38 mm。

飛行器的重心通過(guò)多次測(cè)試的結(jié)果篩選，基本確定在焦點(diǎn)以前的位置，但太靠前會(huì)導(dǎo)致飛行器機(jī)動(dòng)性能下降。測(cè)試階段使用的是較經(jīng)濟(jì)的3D打印件作為機(jī)身，測(cè)試完善后使用EPP泡沫材料通過(guò)開(kāi)模制造機(jī)身，增加其受沖擊載荷的能力以及使用的壽命。

3.2.2? ? 實(shí)際測(cè)試飛行

飛行器可飛行的距離在0～20 m，預(yù)期命中率為100%，目前命中率為80%。測(cè)試時(shí)，將可識(shí)別的特殊燈條放置在距離飛行器發(fā)射架16 m的位置，固定在高1.2 m的平臺(tái)上。根據(jù)需要，測(cè)試時(shí)應(yīng)不斷調(diào)節(jié)動(dòng)力系統(tǒng)的大小，使飛行器在飛行到16 m時(shí)還保持有1.2 m的高度，并且需要預(yù)留給紅外識(shí)別一段距離（0.5～1 m）的飛行時(shí)間，用來(lái)調(diào)節(jié)舵面以調(diào)整姿態(tài)并飛向目標(biāo)，即需要在距離約15 m的地方識(shí)別到目標(biāo)物。所以在無(wú)嵌入式控制的情況下，飛行器至少要飛到距離目標(biāo)70%處，才可移交嵌入式調(diào)試。如圖8所示的測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)飛行器從起飛到降落的過(guò)程中出現(xiàn)了一次以上roll軸的翻轉(zhuǎn)，降落的位置就無(wú)法控制，所以要保證飛行器在無(wú)嵌入式控制的前提下，空中的攻角保持在2°～20°以保持姿態(tài)平穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)飛行器紅外制導(dǎo)功能的開(kāi)發(fā)，使用OpenMV紅外模塊、H219陀螺儀、涵道電機(jī)等設(shè)備與單片機(jī)進(jìn)行交互形成一個(gè)智能飛行姿態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)，擁有紅外制導(dǎo)等功能。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)紅外制導(dǎo)準(zhǔn)確，具有空中姿態(tài)調(diào)整靈活、迅速等優(yōu)點(diǎn)。作為一種小巧靈活的飛行器，它可以去到人們難以進(jìn)入的區(qū)域。在消防工作中，利用溫度傳感器及其他傳感器，搭載可滅火的化學(xué)物品的制導(dǎo)飛行器可對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行快速滅火。

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收稿日期：2021-01-04

作者簡(jiǎn)介：蔡昕翰（1999—），男，福建漳州人，研究方向：嵌入式開(kāi)發(fā)。