基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器设计(编辑修改稿)

基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器设计(编辑修改稿)内容摘要：

馈； (6) 四旋翼飞行器 PID 参 数调整； (7) 遥控器控制信号的发送和接收。 工作重点在于基于多传感器融合的动力学建模、姿态控制算法、控制系统软硬件 、摄像头采集信号的调试、转换和生成 的设计与实现以及调试等。 小结 本章首先 介绍 课题的选题背景，之后介绍了国内外 四旋翼 飞行器的发展历史以及研究现状， 随后介绍了飞行器的主要生产公司， 最后指出了本文的研究目的、方法 及研究的重点内容。 基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 5 2 系统 总体设计 方案 本设计主要采用 ST公司生产的 STM32F407作为系统的主处理器。 它主要负责采集传感器检测到的姿态信息并实时解算，根据 摄像头 采集 到的 图像 信息， 通过二值化算法，得到具体的线路信息 ， 通过 Freescale Kinites60单片机 计算输出控制量 ； 并把控制量传递给 STM32F407， 控制飞行器的飞行方向及姿态 ； 通过无线通信模块与遥控器进行数据的传输，实现 飞行器的起飞、降落及飞行姿态 和位置 的调整。 本系统主要由 主 控制 器 模块、 无刷电机 驱动 模块、 电源 模块、 摄像头 模块 、 姿态测量 模块 等 五 部分组成 ，下面分别论证这几个模块的选择。 飞行控制系统方框图如图 21所示： 图 21 飞行控制系统方框图 2. 1 驱动模块 的论证与选择 四旋翼飞行器电机选型 方案 一 ： 采用普通直流电机。 普通直流电机有 操作 简单 、 成本 低 、质量小 等优点，但 其 输出 扭 矩 较小，可 控 性 能 差， 四旋翼 飞行器 要求控制精度高， 响应 速度快，且 重 量要 轻 ，所以 普通 直流电机 无法 满足要求。 方案二： 采用新西达 公司生产的 A2212/13T1000KV无刷 直流 电 动 机。 它在低 KV值基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 6 (100020xxkv)， 高电压 （ ）环境下 有 较高的转速 和 较大扭力 ，且 具 有 调速范围 宽、效率 高 和稳态转速误差小等优点。 它 克服 了普通 直流 电机的扭矩小的缺 点 ， 满足 系统精度控制要求及负载要求。 综合以上 比较论证 ， 为 保证 四旋翼飞行器 稳定可靠 的飞行 ，本系统采用 方案 二。 电机 驱动电路 电机转的转速是跟流过电机的电流有关，即跟加在两端的电压有关。 但是单片机并不能输出可调的直流电压，而是用脉宽调制（ PWM） 方式来控制电机的输入电压。 通过控制 PWM 调节占空比， 实现控制电机转速 的效果 ， PWM 占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。 脉冲宽度调制 PWM 调速 脉冲宽度调制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。 它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域 [19]。 脉冲宽度调制（ PWM）是一种 利用微处理器的数字输出 对模拟信号电平进行数字控制 的方法。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式 ，利用 高分辨率计数器 改变 方波的占空比被调制用来对一个 模拟信号的 具体电平编码。 但 PWM信号仍然是数字的，因为在给定的 所有时刻， 全 幅值的直流供电不是 完全 导通 ， 就是 完全 截止，不存在第三种状态。 电压或电流源是以一种 导通 或 截止 的重复 的不同占空比的 脉冲序列加到模拟 的 负载上。 导 通时 直流供电 完全 被加到 模拟 负载上 ， 截止 时是供电 完全 被断开的时候。 只要 数值 带宽足够 宽 ， 所有的 模拟 电流 都可以 使用 PWM模拟。 PWM调速 的 优点 如下 ： 1)由于 PWM的开关频率 很 高，只要 通过 电枢电感滤波就 可以 得到 波 动 比较 小的直流电流， 可以 调速 的 范围大， 理论上 可达到 1:10000左右； 2)响应性能 的 快速 行十分 好， 抵 抗 动态干扰能力强； 3)由于器件仅工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 根据以上优点，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了 PWM变换器进行调速。 2. 2 传感器模块 的选择 四旋翼飞行器的稳定飞行是本设计重点内容之一，而要进行飞行器的稳定飞行就得获得飞行器稳定的姿态。 传感器用来感知 自身的姿态位置信息及 外界环境 的 变 化 ，为控制 系统提供控制依据。 因为 四旋翼飞行器 所使用的 电池容量较小，以及四旋翼飞行器的升力和 负载能力有限，所以，减轻导航 姿态测量 系统所用传感器的 质 量 、 体积 ，就显得基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 7 十分 重要。 加速度 检测 传感器是可以 检测加速力 变化 的电子 器件。 加速度 检测 传感器的工作原理： 检测 元件将测点的加速度 变化 信号转换为相应的电 压 信号，进入 信号调理 电路，经过信号 放大 电路改善信号的信噪比，再进行 AD转换得到数字信号，最后 将数字信号传递给 单片机，单片机 对 数据 进行数字滤波 处理。 加速度 检测 传感器用于 检测 机身相对于水平面的 侧倾 角度。 在 四旋翼飞行器起飞的瞬间，由于电机转速本身的 质 量和转速误差，加速度 检测传感器 无法感知飞行器本身的受力情况。 根据牛顿第二定律， 要 想通过加速度检测传感器 获得准确的 四旋翼飞行器侧倾 角度和 飞行姿态 ，加速度 检测 传感器就需要在静止或者匀速 运动 的情况下进行测量，而飞行器起飞的瞬间，物体是运动的，所以无法 使用加速度检测传感器测量的数据 来 控制 四旋翼飞行器。 陀螺仪 检测 传感器能感知物体的运 动 变化。 四旋翼飞行器的 飞行控制 器通过读取 陀螺仪 检测 传感器 采集的 数据进行处理 ，并 依据 四旋翼飞行器 当前姿态 进行反馈控制，即可以使得 四旋翼飞行器 保持 稳定的飞行。 因为在测量过程中 陀螺仪检测传感器 受到 温 度变化 的影响，导致测得的姿态信息并不 十分 精确 ， 对测得的数据经行再次的滤波就显得尤为重要。 因此利用加速度 检测传感器 和陀螺仪 检测传感器 的组合可以 检测 和输出 四旋翼 飞行器的 方位 、 速度 和引力来感知飞行器的运动状态。 综合 考虑 性能 、体积、重量和 成本 等因素，本设计选 择 MPU6050陀螺仪 加速度 计，其 具体的 电路连接图如图 22所示。 图 22 MPU6050 传感器电路连接图 基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 8 MPU6050是 世界第一例 9轴运动处理传感器。 它集成了 3轴 微机电 陀螺仪， 3轴 微机电 加速度计，以及可扩展的数字处理器 DMP（ Digital Motion Processor） ，可用 I2C接口连接磁力计。 扩展之后就可以通过其 I2C接口输出一个 9轴 变化 的 数字 信号。 MPU6050也可以通过其 I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如 气压 传感器 [20]。 MPU6050与 其他处理器 之间的通信采用 400kHz的 I2C接口。 对于需要高速传输的 系统 ，对 数据 的读取和中断可用 20MHz的 SPI。 此外， MPU6050片上还 内部还有 了一个温度传感器 用于矫正温度变化对采集数据的影响。 2. 2 电源 模块的论证与选择 系统采用 2200mA动力锂电池作为供电电源，电压为 12V左右，可直接供给电调使用，其中电机由电调直接驱动，而摄像头工作电压 和 Freescale Kinites60单片机 为 ， 超声波模块的工作电压 5V，需要通过稳压芯片进行一次电压转换为其供电。 方 案 一： 通过电调产生 5V电压供给超声波模块使用，由于摄像头的工作电流不是很大，直接采用 5V电压 转换成 和 Freescale Kinites60单片机 使用， 这个 方案电路 十分 简单，使用元件少，且 工作 十分稳定。 方案二：采用 LM7805三端稳压器将电源电压降到 5V供超声波模块使用，再通过AMS1117稳压芯片将 5V电压转换成 Freescale Kinites60单片机。 电路内部有 过热 、 过 电 流 及调整管的保护电路，但在实际应用中，稳压管温度 上升 过高时，其工作的 稳压性能将变差，甚至 烧毁。 综合 考虑 以上 的 两 种 不同 的电源模块 方案，选择方案 一 更为合理。 2. 3 飞行 控制模块的论证与选择 方 案一： 领航者 飞控模块。 匿名科创 ANOTC的领航 者飞控模块 能 提供完全开源的飞控工程源 代 码，飞行效果好 ， 方便 调试及后期增加功能。 方案二： 飞行控制模块。 其有优点是调试简单，有自稳功能，缺点是不能定高，不能姿态控制，没有开源的飞控工程源码 ，对后续调试，增加功能影响很大，不利于 本毕业设计的制作。 综合 考虑 以上 的 两 种 不同 方案，选择方案 一 更为合理。 2. 4 摄像头模块 的论证与选择 摄像头是基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器系统信息提取关键，其输出信息的好坏将决定着四旋翼飞行器转向性能。 因此摄像头的选取必须慎重，既要保证图像质量好，满足后续处理和轨迹识别的要求，又要考虑到单片机采集和处理的能力。 基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器中既可以使用 CMOS 型摄像头，也可以使用 CCD 型摄像头。 CCD 模拟基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 9 摄像头和 CMOS 数字摄像头，其优缺点如表 2表 22 所示： 表 21 CCD 模拟摄像头的优缺点 优点 缺点 1)灵敏度高，适于高速运行； 2)噪点低。 1)成本高； 2)功耗高，需 12V供电 表 22 CMOS 数字摄像头的优缺点 优点 缺 点 1)体积小，重量轻，功耗低 ； 2)内部集成 A/D，电路要求简 单，方便系统小型化； 3)平均成本低 ,便于推广。 1)灵敏度低， 不适于高速运行； 2)噪点高。 通过比较，发现 CMOS 数字摄像头相比于 CCD 模拟摄像头，有着供电电路简单，体积小巧 、 质量轻 、 功耗低 等诸多方面的优势。 同时，我们发现 CMOS 数字摄像头提供了 PCLK 信号，这样我们便可以利用 Freescale Kinites60 单 片机自带的 DMA 模块进行DMA 采集。 使用 DMA 可以节省单片机 硬件 资源，让单片机可以在同一时间里 做更多不同的 事情 ， 这样 便 提高 了单片机的工作效率。 而 CCD 模拟摄像头未能提供 PCLK 信号，同时为了得到数字灰度值，我们需要对 CCD 输出的模拟信号进行 AD 转换，增加了电路的复杂度。 综合以上考虑，最终决定采用 CMOS 数字摄像头作为 毕业 设计 的图像传感器。 选用型号是 OV7725 数字 CMOS 摄像头。 OV7725 是一个集成模块，是 1/3CMOS 彩色 /黑白图像传感器， VGA 和 QVGA 是 两种不同的 图像格式；最高 输出 像素为 664*492，帧速率为 50fps；数据 处理 格式包括 YCrCb， YUV， RGB 三种。 OV7725 是数字 式 摄像头，只需要 5V 单电源供电，功摄像头耗较小，性能稳定，功耗较小。 能够满足基于摄像头寻迹的四旋翼飞行器 对路径检测 的要求。 OV7725 是按 指 定的分辨率，以 换 行扫描的方 法 采集 信息 ，当扫描到某点时， 再 通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度 相对应 数字信号，最后通过 8 位的输出口输出。 配合 OV7725 的工作时序，通过单片机适时的对这 8 位端口进行采集，便可得到期望的图像点的灰度值。 OV7725 的 SCCB基于摄像头循迹的四旋翼飞行器设计 10 控制时序图如图 23 所示。 图 23 OV7725 的控制时序图 在使用 OV7725 时，通过 SCCB 协议，利用 SCL、 SDA 端口，对该摄像头寄存器进行了配置，需要对该摄像头的三处做了重新设置。 一 、 将摄像头的分辨率配置成 180*240，这样可以使单片机在采集图像数据时，能尽可能少的响应没有必要的行场中断，增强了单片机的处理效率。 二 、 将摄像头的对比度设置成了最高，高对比度可以使轨迹信息的与白色的地面更清晰的区别开来，方便后续图像处理。 三 、 根据实际的图像显示效果，适时合适的更改。