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、響應以及傳輸?shù)碾娐?，綜合完成題目要求。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。互為對角的一組（兩個）電機旋轉方向相同，而相鄰兩個電機旋轉方向相反。4個電機的轉速做相應的變化即可實現(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算法在自動控制領域有廣泛應用，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，得到相應的PWM波的數(shù)值，并將處理后的結果傳給電調，控制電機的轉速，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期高度。超聲波測距原理圖五、核心部件電路設計飛控模塊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)調整飛行姿態(tài)。六、主要模塊程序設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，并能夠對現(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，達到預定高度后，側方攝像頭根據(jù)像素大小尋找就近的桿塔，檢測相應色塊，同時相應顏色的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)調節(jié)俯仰角，側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，側方攝像頭正對著桿塔，隨后飛控系統(tǒng)調節(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，同時旋轉機身，讓側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