淺談四旋翼無人機的工作原理與意義

淺談四旋翼無人機的工作原理與意義

Summary：本文所采用的四旋翼巡航機器人采用德州儀器C2000系列微處理器為主控模塊，外加超聲波模塊實現(xiàn)高度控制，MPU6500六軸運動處理器用于感知運動姿態(tài)配合三軸陀螺儀實現(xiàn)姿態(tài)控制。本文利用該小型四旋翼無人機實現(xiàn)部分功能，以此判別大型無人機實現(xiàn)功能的可行性。整個過程采用雙攝像頭，側(cè)邊攝像頭（openMV）掃描無人機周邊信息并提供數(shù)據(jù)；底部攝像頭（樹莓派）采集地面信息。整個系統(tǒng)基于PID算法處理各傳感器測得的數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動控制功能，以此達到一鍵啟動后，該無人機可繞不同顏色桿塔按照不同方向繞塔的目的。Keys：四旋翼無人機、PID算法一、系統(tǒng)的工作原理流程圖系統(tǒng)工作流程圖（1）主控板：處理攝像頭在內(nèi)的各傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令控制飛行。（2）外圍電路：包括其他控制、響應(yīng)以及傳輸?shù)碾娐罚C合完成題目要求。二、四旋翼飛行器原理分析四軸飛行器的4個角各裝一個旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正傳，也可以反轉(zhuǎn)。互為對角的一組（兩個）電機旋轉(zhuǎn)方向相同，而相鄰兩個電機旋轉(zhuǎn)方向相反。4個電機的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實現(xiàn)四軸橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運動。三、串行PID控制器的分析飛行姿態(tài)的串級PID控制：串級PID控制是我們飛行控制用到的主要算法。PID算法在自動控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，主要要求有：穩(wěn)、準、快。通過FIR濾波和姿態(tài)融合解讀出飛行器的飛行姿態(tài)角，并經(jīng)過串級PID算法程序來對數(shù)據(jù)進行處理，得到相應(yīng)的PWM波的數(shù)值，并將處理后的結(jié)果傳給電調(diào)，控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制飛行的目的。PID算法框圖四、飛行高度控制飛行高度控制的獲取采取超聲波模塊來實現(xiàn)，根據(jù)超聲波采集的接發(fā)時間差，單片機利用聲音在空中傳播速度和時間的關(guān)系計算出飛行器距離地面的高度，并經(jīng)過PID算法程序不斷控制改變油門量，從而使飛行器的高度達到預(yù)期高度。超聲波測距原理圖五、核心部件電路設(shè)計飛控模塊TIC2000外接MPU-6500六軸傳感器完成飛行控制算法。MPU-6500傳感器采集三軸加速度計和三軸陀儀數(shù)據(jù)。MPU-6500功耗低，可以以1.8伏特運行，可準確追蹤快速與慢速動作，其內(nèi)含溫度感測器，在不同環(huán)境中僅有1的偏差。原始數(shù)據(jù)經(jīng)C2000飛控算法分析處理，完成姿態(tài)控制。視覺模塊底部采用索尼攝像頭采集視覺信息，經(jīng)Opencv處理后，返回值給飛控系統(tǒng)。側(cè)方位攝像頭采用Openmv搭配OV7725攝像頭，識別并采集色塊，采集畫面后經(jīng)Openmv色塊算法處理，通過串口返回數(shù)組數(shù)據(jù)供飛控系統(tǒng)調(diào)整飛行姿態(tài)。六、主要模塊程序設(shè)計卡爾曼濾波器的分析：在傳感器模塊中，超聲波等傳感器所捕獲和傳回的原始數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響而產(chǎn)生誤差。針對上述現(xiàn)象本文提出一種在多路徑條件下的Kalman濾波算法，Kalman濾波器是一種線性方差濾波器，它不但考慮了信號與測量值的基本統(tǒng)計特性（一、二階統(tǒng)計特性），而且，由于采用了狀態(tài)空間的概念，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)，信號作為狀態(tài)，所以，它既能估計平穩(wěn)的標量信號隨機過程，又能估計非平穩(wěn)的矢量隨機過程。它能夠從一系列的不完全包含噪聲的測量中，估計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。我們對原始數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波，可以得到期望值的最優(yōu)解。通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計的算法?？柭鼮V波可以去除噪聲并根據(jù)反饋控制和過程狀態(tài)進行合理估計，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行實時的更新和處理。七、部分功能實現(xiàn)思路起點垂直起飛至150cm高度，利用blob+質(zhì)心算法，將底面攝像頭拍攝到的畫面二值化，框選出所有黑色色塊并標記出其質(zhì)心，從而保證無人機在起飛過程中始終保持在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，達到預(yù)定高度后，側(cè)方攝像頭根據(jù)像素大小尋找就近的桿塔，檢測相應(yīng)色塊，同時相應(yīng)顏色的led燈閃爍數(shù)次以表示所檢測到的桿塔顏色，然后飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)俯仰角，側(cè)方攝像頭傳輸桿塔位置數(shù)據(jù)給飛控系統(tǒng)，飛控通過調(diào)整翻滾角保證無人機始終正對著桿塔前進。當?shù)酌鏀z像頭識別到桿塔底部顏色色塊后，同時側(cè)方攝像頭檢測到最大色塊，蜂鳴器開始報警，無人機開始懸停，側(cè)方攝像頭正對著桿塔，隨后飛控系統(tǒng)調(diào)節(jié)翻滾角，利用底面攝像頭定點使其保持距離桿一定距離繞桿飛行。繞圈一周后，無人機再次懸停，同時旋轉(zhuǎn)機身，讓側(cè)方攝像頭離開第一個桿塔位置并與繞行圓周半徑相切，然后無人機繼續(xù)繞桿飛行以尋找下一個桿塔顏色色塊，當側(cè)方攝像頭識別到下一個顏色的桿塔后，無人機懸停，然后重復(fù)上述過程。全部桿塔環(huán)繞完成后開始尋找終點的位置，最后定點降落。此功能可實現(xiàn)對桿塔四周墻壁的完整度的檢驗等功能。八、參