全国电子设计大赛省一获奖论文-四旋翼自主飞行器

全国电子设计大赛省一获奖论文-四旋翼自主飞行器内容摘要：

与实现 四轴飞行器的机械结构需保证均匀性、对称性和稳定性。 均匀性要求材料的质地要均匀，对称性要保证机械架构三维生的对称性，稳定性要求机械器件连接牢固 并且在起飞和着陆时机架有抗击能力。 机身支架的材料使用硬质塑料，身 机为 450450 mm方形框架 ， 旋翼直径 10mm， 厚度。 其硬件组成如图 1所示 , 主要包6 括角速率陀螺、加速度计、超声波传感器、微处理器、舵机控制接口、有效任务载荷接口以及电源等。 图 2 为 飞行控制系统硬件框图。 角 速 度 陀 螺双 轴 加 速 度 器I I C 口瑞 萨 板四路P WM信号C A M E R AI I C 口摄 像 头超 声 波 测 距无刷电调M 1M 2M 3M 4 图 2 飞行控制系统硬件框图 陀螺仪和加速度传感器 陀螺仪 主要 用于 飞行器保持平衡。 陀螺仪 的测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。 陀螺仪实际上等效于三个角度传感器，内部通过 MEMS 工艺做出了一个参考坐标系，当芯片的坐标相对参考坐标发生旋转时，芯片会读出这个差异。 因此，测量 XYZ 轴线的倾角变得可以实现。 利用陀螺效应，感知你陀螺仪中陀螺的相对方向，经过单片机处理与初始状态比较感知陀螺的方向。 这就让他可以对飞机等的运动方向进行感知，如有偏航可以立刻对制动系统发出指令进行修正。 加速度传感器 是一种能够测量加速力的电子设备 ，很多情况下都是和陀螺仪搭配用的。 加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。 加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。 当仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因惯性而绕输出轴转动，传感元件将这一转角变换为电信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。 力矩器产 生的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。 输送到力矩器中的电信号（电流的大小或单位时间内脉冲数）就被用来度量加速度的大小和方向。 加速度传感器 测量运载体线加速度的仪表 ， 在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。 图 4为加速度计示意图。 图 3 角速度变化与陀螺输出的关系 7 图 4 加速度计示意图 控制系统 四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分 ， 飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。 飞行控制系统通过 IMU 惯性测量单元 （ 由陀螺传感器与加速度传感器组成 ）检测飞行姿态。 4 个无刷直流电机调速系统通过 I2C 总线与飞行控制器通信 ， 通过改变 4 个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态 ， 系统采用 12 V 电池供电。 飞行器控制器要能够通过采集处理微型 MEMS惯性器件和三维地磁传感器数据．计算飞行器的姿态角和航向角，并根据飞行指令和任务要求，结合相应的控制律给出适当的控制信号，控制飞行器的执行机构，改变飞行器的姿态和位置等[1]。 飞行控制器的主要功能如下： 1)提供多个通信信道，使飞行器与陀螺仪、磁航向计、 高度计、导航系统、地面测控系统通信； 2)提供足够的存储空间，以满足复杂控制软件的实现； 3)检测飞行器的状态量，包括高度、速度、航向、姿态等； 4)通过 RS232串行接口与地面测控系统通讯，一方面获取地面的控制信号．另一方面将飞行器的状态信息回传给地面； 5)飞行器能工作在手动／自主的切换模式。 超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的 特性 研制而成的传感器。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。 若对发送传感器内谐振频率为 40KHz 的压电 陶瓷 片 (双晶振子 )施加 40KHz 高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送 40KHz 频率的超声波，其超声波以疏密形式传播 (疏密程度可由控制电路调制 )，并传给波接收器。 接收器是利用 压力传感器 所采用的压电效应的 原理 ，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面8 为 “+ ” 极，另一面为 “ ” 极的 40KHz 正弦电压。 图 5 为超声波传感器的电路图。 需要用超声波传感器来测距定高选择的 工作频率一般为 2325KHZ 及4045KHZ， 基本类型 为 分离式反射型 ， 通过标准的 CI2 总线输出高度信号。 图 5 超声波传感器电路图 摄像头 ov7620 OV7620 是 OmniV ision 公司生产的 CMOS 彩色图像传感器 , 其内部集成了感光单元和 A/ D 转换器件 , 并且提供了提供 8/ 16 位 CCIR60 CCIR65 6 等格式视频数字信号接口。 它支持连续和隔行两种扫描方式。 最高像素为 664 @ 492 , 帧速率为 3 0 f/ s。 数据格式包括 YU V、 YCrCb、 RGB3 种 , OV 7620 内置可编程功能寄存器并且设置有上电模式和 SCCB 编程模式。 OV 7620 的数字图像输出接口为 YcrCb 16 位 / 8 位可选模式和 RGB16 位 / 8 位可选模式两种组态 [ 2]。 YCrCb 即 Y UV ,主要用于优化彩色视频信号的传输。 与 RGB 视频信号传输相比 , 它最大的优点在于只需占用极少的频宽。 其中 / Y0 表示明亮度 , 也就是灰阶值。 而 / U0 和 / V0 表示的则是色度 , 作用是描述影像色彩及饱和度 , 用于指定像素的颜色。 采用 YU V 色彩空间的优点是它的亮度信号 Y 和色度信号 U、 V 是分离的。 如果只有 Y 信号分量而没有 U、 V 分量 , 那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。 视觉导航应用中 , 图像只有路面和引导线两种颜色 , 因此只需对灰度信号进行处理就可识别出路径实现导航。 因此在本文中主要讨论在 32 0 @ 240 分辨率下处理 8 位 Y 信号分量 , 实现导航的方法。 OV7620 要实现输出一帧完整的图像 , 除了 8 位 Y 信号分量外还有 4 个同步信号配合实现视频帧的输出 , 他们分别是垂直同步信号 VSYN C、奇数场同步信号 FOOD、水平同步信号 HSYNC 和像素同步信。