蜂 鳥

1作品介紹

1.1作品方案

蜂鳥四旋翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)主要由ARM嵌入式主控制器、多軸姿態(tài)傳感器、電子羅盤、2.4G無線數(shù)傳模塊、5.8G高清無線圖傳模組、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組等部分組成。

ARM嵌入式主控制器通過采用思維四元數(shù)姿態(tài)解算算法，并利用PID控制算法維持自身平衡；多軸姿態(tài)傳感器用于測(cè)量飛行器的飛行姿態(tài)信息，使控制系統(tǒng)根據(jù)平衡算法處理結(jié)果輸出PWM信號(hào)控制MOS管驅(qū)動(dòng)電路從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)力矩來穩(wěn)定飛行姿態(tài)。

2.4G無線數(shù)傳模塊負(fù)責(zé)體感遙控器與飛行機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以通過體感遙控器的屏幕對(duì)飛行姿態(tài)、電池電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)；5.8G高清無線圖傳模組提供高清圖像的高動(dòng)態(tài)無線視頻信號(hào)傳輸。圖1所示是蜂鳥四旋翼飛行機(jī)器的整體設(shè)計(jì)框圖。

圖1蜂鳥四旋翼飛行機(jī)器的整體設(shè)計(jì)框圖

1.2飛行控制器設(shè)計(jì)

飛行控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32芯片，并通過IIC接口與姿態(tài)傳感器通信，主要負(fù)責(zé)采集姿態(tài)傳感器傳回的飛行姿態(tài)信息。如三軸陀螺儀采集的角速度（俯仰角速度、橫滾角速度和偏航角速度）、三軸加速度計(jì)采集的線加速度和地磁場(chǎng)傳感器采集的航向信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)解算。根據(jù)檢測(cè)到的飛行姿態(tài)信息，結(jié)合PID平衡控制算法，計(jì)算輸出控制量（PWM）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖2所示是系統(tǒng)中主控芯片的原理圖。

1.3姿態(tài)采集傳感器

飛行器在某時(shí)刻的狀態(tài)由九個(gè)物理量來描述，包括在三維坐標(biāo)中的3個(gè)位置量和沿3個(gè)軸的姿態(tài)量（即稱為六自由度），同時(shí)還包括當(dāng)前時(shí)刻的3個(gè)空間方位量。其共同組成九個(gè)軸向的姿態(tài)傳感器，其按功能與用途區(qū)分為：三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸地磁場(chǎng)傳感器。主要負(fù)責(zé)采集飛行器3個(gè)方向的角速度（俯仰角速度、橫滾角速度、偏航角速度）、線重力加速度與地磁場(chǎng)航向偏量。

陀螺儀起到測(cè)量飛行器某個(gè)軸上的角速度的作用，而加速度傳感器起到感應(yīng)飛行器3個(gè)軸向的線加速度的作用，這在平衡系統(tǒng)中非常重要。

本系統(tǒng)選用InvenSense公司生產(chǎn)的結(jié)合陀螺儀與加速度計(jì)的六軸姿態(tài)傳感器MPU-6050,可與HMC5883L三軸式數(shù)字羅盤連接，并由主I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算數(shù)據(jù)。圖3所示是MPU-6050傳感器原理圖。圖4所示是電子羅盤的電路原理圖。

1.4圖像采集與傳輸

本作品使用5.8G微型無線圖像傳輸模塊，模塊加上攝像頭重量?jī)H為3.3g,采用3.3V供電。使用3.7V370mAh鋰電池可持續(xù)工作18?20min。圖5所示是其微型無線圖傳模塊。

圖5微型無線圖傳模塊

1.5無線數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)為保證數(shù)據(jù)的高速有效的傳輸，飛行機(jī)器人板載了nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸芯片和NFX2401C功率放大芯片。nRF24L01芯片是由NORDIC公司生產(chǎn)的工作在2.4GHz?2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。其輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置,幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。圖6所示是基于nRF24L01的無線數(shù)傳模塊電路。

該芯片具有極低的電流消耗，發(fā)射模式下功率為0dBm

時(shí)電流消耗為11.3mA，接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。本系統(tǒng)中，我們還使用了NFX2401C前端功率放大芯片對(duì)2.4G無線信號(hào)進(jìn)行前端放大，使其具有更遠(yuǎn)的傳輸距離。NFX2401C的前端放大電路如圖7所示。

1.6體感遙控器設(shè)計(jì)方案

體感遙控器使用STM32F103系列的C8T6處理器作為主控芯片，圖8所示是體感遙控器的實(shí)物圖。該系統(tǒng)可搭載MPU6050傳感器和2.4G無線數(shù)傳模塊，可以采集手勢(shì)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)解算處理之后，通過2.4G無線數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)傳給飛行機(jī)器人，使得飛行機(jī)器人可以根據(jù)體感遙控器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，體感遙控器上還有OLED顯示屏，可以顯示體感遙控器的姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)以及飛行器電池電量等信息。圖9所示是系統(tǒng)的顯示界面圖。

2技術(shù)原理

2.1飛行器飛行原理

飛行機(jī)器人的垂直運(yùn)動(dòng)是通過四個(gè)旋翼同時(shí)變速得到的,當(dāng)四個(gè)旋翼的升力之和等于飛行器自重時(shí)，便能夠飛行懸停。水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是通過一組對(duì)角線旋翼同時(shí)變速時(shí)，另外一組對(duì)角線旋翼反向同時(shí)變速，機(jī)身就能夠做到水平面內(nèi)各個(gè)方向上的傾斜，從而達(dá)到在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的目的。

通過組合以上的基本運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)俯見圖如圖10所示。

圖10四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)俯視圖

2.2空氣動(dòng)力學(xué)原理分析

該飛行器通過四個(gè)旋翼產(chǎn)生的力和力矩來實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行及姿態(tài)控制的。F前、F右、F后、F左代表前右后左四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力，M前、M右、M左、M后代表前右左后四個(gè)旋翼產(chǎn)生的力矩。控制飛行器四個(gè)旋翼所產(chǎn)生的升力和力矩時(shí)，飛行器將產(chǎn)生各種飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)。

通過采集加速度傳感器的電壓值，我們根據(jù)公式可以推導(dǎo)出角度數(shù)據(jù)，根據(jù)升力、扭矩和角度的關(guān)系，可以大致了解飛行器的飛行姿態(tài)。圖11所示是該飛行器的抽象模型圖。

圖11飛行器抽象模型

飛行器與X軸的夾角a主要通過左右旋翼產(chǎn)生的升力控制，控制關(guān)系為：'^M=Iya，（F右-F左）=Iya，a=Ix（F右-F左）/Iy，具體模型如圖12所示。

圖12飛行器繞Z軸的角度『與升力之間的關(guān)系

飛行器與Y軸的夾角8主要通過旋翼產(chǎn)生的升力控制,控制關(guān)系為：Iy（F前-F后）=Ixfi，fi=Iy（F前-F后）么,具體模型如圖13所示。

圖13飛行器繞Z軸的角度8與升力之間的關(guān)系

M左+M右一M后前=頊，廣（M左+M右—M后一M前）/I，具體模型如圖14所示。

圖14具體參考模型

2.3飛行器平衡控制原理

根據(jù)MCU采集姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)后進(jìn)行PID及模糊控制運(yùn)算，具體運(yùn)算過程如下：

設(shè)輸入變量為：a（俯仰角），8（滾動(dòng)角），&a、&8、Ax.Ay、Az（角度偏差），GXG-Y、G-Z（角速度值）；

設(shè)輸出變量為：ACH[1]、ACH[2]、ACH[3]、ACH[4]（電機(jī)控制增量），相關(guān)系數(shù)：孩、Ky、K,、Kp、K,為控制系數(shù)。

根據(jù)角度不同，輸出的電機(jī)速度也不同。我們分段分析:

右旋翼電機(jī)控制量：

If[-5,5]thenCH[1]=KxX+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[1]=KrX+KzZ+Kr

If[-15,-10][10,15]thenCH[1]=KzZ+Kr

前旋翼電機(jī)控制量：

If[-5,5]thenCH[2]=KyY+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[2]=Kp-KzZ+KyY

If[-15,-10][10,15]thenCH[2]=Kp-KzZ

后旋翼電機(jī)控制量：

If[-5,5]thenCH[3]=KyY+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[3]=-Kp+KzZ+KyY

If[-15,-10][10,15]thenCH[3]=-KzZ+Kp

左旋翼電機(jī)控制量：

If[-5,5]thenCH[4]=-KxX+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[4]=-KxX+KzZ-Kr

If[-15,-10][10,15]thenCH[4]=KzZ-Kr

通過得到的角度，經(jīng)過一系列的算法后我們得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由主控制器產(chǎn)生PWM調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的平衡控制。

3作品創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用前景

3.1創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)主要有以下幾大創(chuàng)新點(diǎn)：

第一，蜂鳥一四旋翼飛行機(jī)器人作為迷你型飛行機(jī)器人,尺寸為9cm*9cm,重量為36g:

第二，工作在遙控模式下可采用手持式姿態(tài)感應(yīng)遙控器對(duì)蜂鳥進(jìn)行遙控，具有極佳的娛樂性和觀賞性；

第三，自主飛行模式下可搭載攝像頭進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行航拍，將現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控；

第四，可根據(jù)不同場(chǎng)合的需求搭載不同傳感器進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)，具有較高擴(kuò)展性與適應(yīng)性;

第五，可作為飛行控制驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行新算法的驗(yàn)證和測(cè)試，同時(shí)還可以作為其他四旋翼飛行器的飛行控制板。

3.2新穎性與實(shí)用性

本作品搭載高清無線視頻采集設(shè)備和傳感器模塊，可以勝任航拍、監(jiān)測(cè)、救援等多種任務(wù)。另外，本作品可以對(duì)新的飛行控制算法進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，同時(shí)還可以作為其他大型四旋翼飛行器的飛行控制板，具有很強(qiáng)的新穎性和實(shí)用性。

3.3應(yīng)用前景

根據(jù)我們作品的優(yōu)勢(shì)和特色，蜂鳥四旋翼飛行機(jī)器人既可作為體感遙控的飛行器，又可作為其他四旋翼飛行器的飛行控制板，還可搭載攝像頭和傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。據(jù)了解，目前市場(chǎng)上還未出現(xiàn)這種超小型多用途四旋翼飛行器，因此，本作品在個(gè)人娛樂娛樂、視頻監(jiān)測(cè)、教學(xué)、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間和潛在價(jià)值。

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