李紅燕

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

飛行自動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)在近幾年有著突飛猛進(jìn)的變化。國(guó)內(nèi)的無人機(jī)行業(yè)起步于初級(jí)航模，隨著對(duì)飛控算法的不斷研究完善，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)做為一個(gè)引爆點(diǎn)，在2013年后從媒體和資本市場(chǎng)的宣傳中徹底引爆，當(dāng)拿著一架DJI Phantom3時(shí)，很難想象僅僅十年前還沒有一架這樣的飛行器飛在地球上，僅五年前這架飛行器上的絕大多數(shù)的技術(shù)難關(guān)還沒有被攻克，僅一年前這架飛行器上的還沒有智能跟隨和智能識(shí)別興趣點(diǎn)并確認(rèn)環(huán)繞功能。一架無人飛行器濃縮了近二十年來，人類在系統(tǒng)控制論、空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)器智能算法和微電子集成芯片制造技術(shù)的智慧結(jié)晶。

1 四旋翼自動(dòng)瞄準(zhǔn)火控系統(tǒng)

四旋翼自動(dòng)瞄準(zhǔn)火控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 四旋翼自動(dòng)瞄準(zhǔn)火控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖

采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6作為飛控系統(tǒng)的主處理器。STM32系列基于裝為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。該芯片主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)角速率、俯仰角速率、橫滾角速率和偏航角速率、三軸的線加速度和航向信息并進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，同時(shí)接收來自火控系統(tǒng)部分的信號(hào)來實(shí)時(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)和航向，根據(jù)檢測(cè)到的飛行信息，結(jié)合既定的控制發(fā)難，計(jì)算控制量，通過無線通信模塊與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)接收控制命令改變飛行狀態(tài)和下傳飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及視頻圖像。

2 硬件與軟件結(jié)合

2.1 硬件部分

（1）傳感器模塊。陀螺儀起到測(cè)量四旋翼飛行器的角速率的作用，加速度計(jì)在感應(yīng)飛行器3個(gè)軸的線加速度中起作用。選用MPU6050集成模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)3軸上的旋轉(zhuǎn)角度和重力加速度在3軸上的加速度分量。同時(shí)，慣性導(dǎo)航算法中，導(dǎo)航參數(shù)會(huì)隨著傳感器的測(cè)量誤差積累而發(fā)散，因而不能滿足長(zhǎng)時(shí)間自主懸停的需要，故而將選用霍尼維爾公司的三軸式數(shù)字羅盤HMR3300模塊對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)。

圖2

（2）電機(jī)控制模塊。采用PWM控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于無刷直流電機(jī)是功率器件，因此需要大電流驅(qū)動(dòng)，故而需要專門的控制驅(qū)動(dòng)芯片，在文章中使用蘊(yùn)G9110來控制和驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。

（3）無線通信模塊。無線通信模塊是四旋翼飛行器和地面站之間通信的唯一橋梁，因此要求通信質(zhì)量必須要準(zhǔn)確。在該文中，要求的無線傳輸距離為100m左右，故選用NordicV蘊(yùn)SI公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片nRF905。nRF905芯片工作在433MHz的ISM頻段，工作電壓為3.3V，使用SPI接口與STM32通信，配置和使用非常方便。此外，nRF905芯片功耗非常低，以－10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，接收信號(hào)時(shí)電流只有12.5mA，在100m之內(nèi)傳輸穩(wěn)定可靠。

（4）火控系統(tǒng)模塊。這部分模塊集成了攝像頭，主控芯片，射擊器，其中主控系統(tǒng)選用了基于ARM架構(gòu)的樹莓派板載芯片作為主控芯片，其優(yōu)點(diǎn)是可以在該芯片中燒錄蘊(yùn)inux系統(tǒng)同時(shí)在安裝了攝像頭驅(qū)動(dòng)之后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集和處理，同時(shí)通過其上的無線網(wǎng)卡可以便捷的實(shí)現(xiàn)通過wifi來收發(fā)四旋翼的飛行數(shù)據(jù)和拍攝圖像，結(jié)合無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能。

選用SG09舵機(jī)來控制火控系統(tǒng)射擊部分和攝像頭部分的朝向，由于以四旋翼飛行器為平臺(tái)，搭載火控系統(tǒng)。因此，這對(duì)火控系統(tǒng)的重量要求嚴(yán)格，SG09舵機(jī)重量?jī)H僅為9g，扭矩性能強(qiáng)悍，功耗低，轉(zhuǎn)向精度準(zhǔn)確，完全符合該項(xiàng)目的要求。通過加裝兩個(gè)舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)再z軸上和x-y軸上的轉(zhuǎn)向。

攝像頭選用樹莓派定制攝像頭，擁有500萬像素，高曝光率，低功耗，和樹莓派主控芯片完美兼容，滿足火控系統(tǒng)自動(dòng)瞄準(zhǔn)時(shí)對(duì)外部環(huán)境的實(shí)時(shí)采集。

射擊部分使用微型電動(dòng)PP彈連發(fā)仿真槍，其有效射程5米，可以在5m內(nèi)擊中目標(biāo)，在該項(xiàng)目中使用氣球作為假想象目標(biāo)。

2.2 軟件部分

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是啟動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊并使之能正常工作以及相互通信，使整體能夠按照既定的規(guī)劃實(shí)現(xiàn)飛行和精確打擊。由于四旋翼飛行器為六自由度的系統(tǒng)，而其控制量只有4個(gè)，這就意味著被控量之間存在耦合關(guān)系，所設(shè)計(jì)的控制算法應(yīng)能夠?qū)@種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)足夠有效，用4個(gè)控制量對(duì)3個(gè)角位移量和3個(gè)線位移量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制。本研究在得到四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)方程之后，適當(dāng)?shù)剡x取控制量，運(yùn)用控制理論中經(jīng)典的PID控制算法對(duì)飛行器系統(tǒng)進(jìn)行控制。

飛行控制系統(tǒng)的中央控制模塊主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、解算傳感器數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息解算、執(zhí)行控制算法、計(jì)算并輸出控制量等功能?？刂颇K選擇使用μC/OS-II管理控制任務(wù)的調(diào)度。μC/OS-II是一個(gè)專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)、基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理/任務(wù)間通信與同步等功能。各任務(wù)之間通過信號(hào)量和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換和同步。

火控系統(tǒng)的主控芯片主要負(fù)責(zé)在燒錄了raspbian系統(tǒng)時(shí)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊，使個(gè)攝像頭能夠?qū)ν饨鐖D像實(shí)時(shí)采集并且對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理出來的參數(shù)調(diào)整舵機(jī)定位裝置，使得射擊器能夠?qū)?zhǔn)目標(biāo)并且對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)打擊。在控制模塊中使用樹莓派板的蘊(yùn)inux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊的工作，控制任務(wù)調(diào)度，并在其上配置Python環(huán)境，安裝開源圖像處理框架OpenCV，安裝開源框架MJPG-Streamer，把攝像頭掛載在樹莓派上。使用樹莓派的GPIO口，向舵機(jī)和射擊裝置發(fā)送PWM方波，使得舵機(jī)能夠調(diào)整射擊器和攝像頭的朝向使其能夠?qū)?zhǔn)目標(biāo)，并使射擊器能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊，同時(shí)將視頻流數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡連接wifi發(fā)送會(huì)地面站。

3 結(jié)語(yǔ)

順應(yīng)時(shí)代科技的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，當(dāng)前時(shí)代是人工智能時(shí)代，是實(shí)現(xiàn)以機(jī)器代替人工的時(shí)代。四旋翼飛行器是人類自動(dòng)化控制理論和人工智能所結(jié)合的產(chǎn)品，在其上搭載火控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)部分士兵防衛(wèi)的功能，在四旋翼飛行器上搭載了兩個(gè)不同類型的主控芯片，并且在兩個(gè)主控中燒錄了不同的系統(tǒng)，在此情況下使兩個(gè)系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)工作。由于樹莓派上搭載了無線網(wǎng)卡使得可以實(shí)現(xiàn)將WIFI網(wǎng)絡(luò)作為信號(hào)傳輸媒介，最高傳輸速度可達(dá)到10Mbps，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，并且基本不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)延遲的問題。自動(dòng)瞄準(zhǔn)火控系統(tǒng)，自主的識(shí)別打擊目標(biāo)，并對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤瞄準(zhǔn)，之后給予打擊。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新在于：使用完全無人控制方式實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行，以定點(diǎn)懸停為主，解放了人的控制；在無人的基礎(chǔ)上支持通過無線控制器對(duì)四旋翼飛機(jī)進(jìn)行控制，多種控制方式并行，使系統(tǒng)更完美；在火控系統(tǒng)中使用了計(jì)算機(jī)視覺處理算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)瞄準(zhǔn)；利用wifi網(wǎng)絡(luò)將四旋翼飛行器上的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，使通信成本在大大降低的同時(shí)，還能保證通信效果；整個(gè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用了自動(dòng)化控制理論，具有智能化。

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