馬正華，孫 斌，顧蘇杭

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213100)

0 引 言

目前四旋翼飛行器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)十分廣泛，而關(guān)于四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)和研發(fā)，也涌現(xiàn)出了一大批成熟有效的設(shè)計(jì)方案。如利用DSP高速數(shù)字處理器對(duì)四旋翼硬件平臺(tái)進(jìn)行研發(fā)和設(shè)計(jì)的方案[1]、利用ARM微處理器實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的電視引導(dǎo)察打一體化的設(shè)計(jì)方案[2]。在這些設(shè)計(jì)方案中，由于預(yù)算的原因，某些方案不得不采用低成本的四旋翼飛行器。然而，很多低成本的四軸飛行器難以在脫離遙控的情況下自穩(wěn)飛行，部分能自穩(wěn)飛行的四軸飛行器又不能拍攝高清圖片，成本已然成為這類四旋翼飛行器發(fā)展的瓶頸。為解決這個(gè)問(wèn)題，使低成本四旋翼飛行器能夠做到在脫離遙控定高自穩(wěn)飛行的同時(shí)拍攝500萬(wàn)級(jí)像素的高清圖片，設(shè)計(jì)了一種以低成本四旋翼為載體的高清圖像采集系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器以中低端單片機(jī)STM32為控制核心，并利用串級(jí)PID及時(shí)間片輪式控制算法控制飛行器的姿態(tài)，使之具備脫控自穩(wěn)飛行的能力；在飛行器達(dá)到穩(wěn)定的飛行狀態(tài)時(shí)，開(kāi)啟圖像采集模塊拍攝圖片，該模塊采用了高清攝像頭+SDRAM+CPLD的緩存模式[3,4]，可在不影響控制中心運(yùn)算速度和存儲(chǔ)中心運(yùn)行效率的情況下采集高清圖像，并以無(wú)線的方式傳輸給PC機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)了低成本四旋翼飛行器依然可以完成高精度自穩(wěn)控制、高清采圖等任務(wù)的效果。

1 四旋翼飛行器硬件總體設(shè)計(jì)

該四旋翼飛控系統(tǒng)采用ST意法半導(dǎo)體公司的中低端單片機(jī)STM32F407VGT6作為控制中心。該芯片最高主頻可達(dá)168 Mhz,具有192 KB的SRAM、1024 KB的FLASH，自帶12個(gè)16位定時(shí)器，并且配備3個(gè)SPI、3個(gè)IIC、6個(gè)串口、2個(gè)USB(HOST/SLAVE)等總線，擴(kuò)展性強(qiáng)[5]，可支持飛行器完成絕大部分的飛行任務(wù)。

地磁傳感器AK8975以及MPU6050共同完成四旋翼的9軸姿態(tài)結(jié)算任務(wù)。MPU6050通過(guò)其第二IIC接口與AK8975相連接。MPU6050內(nèi)置了一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，其可根據(jù)InvenSen公司提供的運(yùn)動(dòng)處理資料包，方便的將9軸姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出來(lái)。

MS5611高度氣壓計(jì)和超聲波模塊相結(jié)合，可使四軸飛行器實(shí)現(xiàn)定高的功能。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)超聲波模塊由于其自身的缺陷，在飛行高度超過(guò)地面3 m后因噪聲增大而影響性能。此時(shí)就應(yīng)用MS5611氣壓計(jì)代替超聲波實(shí)現(xiàn)定高的功能。

四旋翼通過(guò)四路無(wú)刷直流電機(jī)控制其姿態(tài)的變換。在預(yù)算有限的情況下，為保證飛行器動(dòng)力充足，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用了朗宇的2212 KV800無(wú)刷直流電機(jī)，并選用最大輸出20A的電調(diào)作為電機(jī)與MCU的溝通橋梁。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)墓δ?，采用CC2530無(wú)線透?jìng)髂K[6]。由于高清圖像采集模塊的輸出接口為串口，而與PC機(jī)溝通的模塊為USB轉(zhuǎn)TTL，故采用CC2530無(wú)線串口模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)帶確認(rèn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，數(shù)據(jù)丟包率為0.00%，而且支持串口不間斷發(fā)送，適合本四旋翼飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景。四旋翼具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用功能模塊及主控MCU均不是高成本器件，機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)、飛控板等重要部分總成本不超過(guò)300元人民幣，但其組成的四旋翼飛行器卻可以實(shí)現(xiàn)高精度自穩(wěn)及高清采圖這些昂貴飛行器才能實(shí)現(xiàn)的功能。

2 四旋翼飛行器控制算法設(shè)計(jì)

2.1 四旋翼飛行器建模分析

要使低成本四旋翼飛行器完成采集高清圖片的任務(wù)，前提是飛行器可以達(dá)到高精度脫控自穩(wěn)的飛行狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)飛行器的自穩(wěn)控制，需要分析其動(dòng)力學(xué)模型，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖1 四旋翼飛行器硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 四旋翼飛行器簡(jiǎn)化模型

(1)

式中：U1為飛行器上升的總升力控制量，U2代表橫滾姿態(tài)φ以及y方向上的運(yùn)動(dòng)控制量，U3代表俯仰姿態(tài)θ以及x軸方向的控制量，U4代表航偏姿態(tài)ψ。

由質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和歐拉運(yùn)動(dòng)方程，可建立機(jī)體坐標(biāo)系下x、y、z軸方向上合外力方程以及繞x、y、z軸的合外力矩方程

(2)

式中：∑Fx，∑Fy，∑Fz分別為機(jī)體坐標(biāo)系下各軸方向上的合外力；∑Mx，∑My，∑Mz為軸上繞三軸的合外力矩[8]。u，v，w分別為機(jī)體坐標(biāo)系下x，y，z軸上的線速度。p，q，r分別為機(jī)體坐標(biāo)系下x，y，z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。Ix，Iy，Iz分別為3個(gè)軸方向上的慣性主矩。

可通過(guò)矩陣R來(lái)獲得機(jī)體坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

(3)

式中：C和S分別代表三角函數(shù)Cos和Sin。由轉(zhuǎn)移矩陣R可推算出四旋翼飛行器對(duì)應(yīng)地坐標(biāo)系的非線性方程

(4)

式中：Rij表示轉(zhuǎn)移矩陣R中對(duì)應(yīng)第i行第j列的元素。Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別表示四軸飛行器體坐標(biāo)系下所受合外力在各軸方向的分量，m表示四旋翼的質(zhì)量。姿態(tài)角與機(jī)體坐標(biāo)系下角速度的關(guān)系如方程(5)所示

(5)

由方程(5)可進(jìn)一步整理為

(6)

由式(6)可知，四旋翼飛行器最終的飛行狀態(tài)和姿態(tài)角加速度以及線加速度有關(guān)。單級(jí)PID控制系統(tǒng)不能夠同時(shí)處理位置、速度、加速度等因子，因此，必須采用串級(jí)PID來(lái)控制飛行器的飛行狀態(tài)。

2.2 四旋翼串級(jí)PID控制算法設(shè)計(jì)

由2.1分析可知，要實(shí)現(xiàn)四旋翼姿態(tài)的自穩(wěn)控制功能，須采用串級(jí)PID來(lái)控制飛行器的飛行狀態(tài)[9,10]。這里以3個(gè)歐拉角(橫滾角ROLL、俯仰角PIT、航向角YAW)的串級(jí)PID控制系統(tǒng)以及定高控制的PID控制系統(tǒng)為例。

圖3 姿態(tài)角串級(jí)PID

四旋翼平穩(wěn)飛行的另一要求是定高，而定高功能的實(shí)現(xiàn)是以自穩(wěn)為基礎(chǔ)的。因此在為四旋翼建立自穩(wěn)功能串級(jí)PID控制系統(tǒng)后，亦建立了串級(jí)PID高度控制系統(tǒng)。

圖4 高度控制串級(jí)PID

2.3 四旋翼時(shí)間片輪式任務(wù)調(diào)度

四旋翼飛行器的飛控程序由非常多的任務(wù)組成，而每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期均不同，因此只有把多個(gè)任務(wù)規(guī)劃好才能實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)的有序運(yùn)行。

在普通的四軸飛行器控制算法中，所有的任務(wù)都在一個(gè)循環(huán)中運(yùn)行，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)由對(duì)應(yīng)中斷的優(yōu)先級(jí)控制。該種控制算法雖然也能使四旋翼完成基本的飛行任務(wù)，但是在其飛行過(guò)程中，始終需要遙控器對(duì)其飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整；更甚者，若中斷設(shè)置不合理，還可能造成因任務(wù)沖突而引起的摔機(jī)事故。因此，需要對(duì)飛行器的控制算法進(jìn)行改進(jìn)。

在改進(jìn)版飛控程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制代碼執(zhí)行的順序和時(shí)間，不能隨意進(jìn)行軟件延時(shí)，以保證系統(tǒng)的效率；不能隨意采用多個(gè)優(yōu)先級(jí)不同的中斷，以保證程序的執(zhí)行順序足夠可靠；重要的任務(wù)需要統(tǒng)計(jì)每?jī)纱蜗噜徴{(diào)用的時(shí)間間隔，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在整個(gè)程序執(zhí)行過(guò)程中，僅開(kāi)啟Stm32自帶的高優(yōu)先級(jí)Systick定時(shí)器，并通過(guò)時(shí)間片輪的方式執(zhí)行多個(gè)任務(wù)[11]。Systick定時(shí)器又稱滴答定時(shí)器，每1 ms產(chǎn)生一個(gè)中斷，而每個(gè)周期都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位，Systick定時(shí)器每產(chǎn)生一個(gè)中斷，周期的標(biāo)志位加一。在主循環(huán)中，每一個(gè)任務(wù)都有自己的執(zhí)行周期，控制器通過(guò)比較執(zhí)行周期的標(biāo)志位數(shù)值來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。當(dāng)周期標(biāo)志位數(shù)值達(dá)到其對(duì)應(yīng)的值時(shí)，任務(wù)開(kāi)始，任務(wù)開(kāi)始前，周期標(biāo)志位清零并開(kāi)始自增；任務(wù)結(jié)束后，標(biāo)志位再次清零開(kāi)始下一個(gè)任務(wù)循環(huán)。采用該時(shí)間片輪的方式在執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的同時(shí)還可以統(tǒng)計(jì)重要任務(wù)每?jī)纱蜗噜張?zhí)行的時(shí)間間隔，從而對(duì)重要任務(wù)是否正常執(zhí)行做出判斷，故系統(tǒng)的穩(wěn)定性也能得到保障。具體時(shí)間片輪式任務(wù)調(diào)度機(jī)制如圖5所示。

圖5 時(shí)間片輪式任務(wù)調(diào)度機(jī)制

至此，四旋翼飛行器的控制算法的改進(jìn)工作完成。該低成本四軸飛行器已經(jīng)能夠完成自穩(wěn)飛行和定高的任務(wù)。

3 四旋翼飛行器高清圖像采集系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器采用STM32F407ZGT6作為其主控制器。該款芯片的SRAM為192 KB，自帶的FLASH也達(dá)到了1024 KB，相對(duì)于其它的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，STM32F407的存儲(chǔ)容量已很大。但是，該低成本四旋翼需要拍攝至少500萬(wàn)像素級(jí)的圖片，而500萬(wàn)像素級(jí)的高清圖片即使壓縮為JPEG格式，其大小也有600 KB～2 MB。因此，僅靠STM32F407的SRAM和FLASH是無(wú)法完成拍攝任務(wù)的，更何況FLASH的讀取速度很慢，會(huì)嚴(yán)重影響MCU的運(yùn)行效率。為解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于高清攝像頭+SDRAM+CPLD模式的圖像采集系統(tǒng)。該圖像采集系統(tǒng)可以繞開(kāi)拍攝高清圖片所需要的內(nèi)存空間和處理速度，使中低端單片機(jī)可以像高端的微處理器一樣，拍攝500萬(wàn)像素級(jí)甚至800萬(wàn)像素級(jí)的高清圖片。

3.1 高清圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖6所示，虛線框中為圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖?？芍搱D像采集系統(tǒng)主要由高清攝像頭OV5640、高速處理器CPLD、大容量存儲(chǔ)器SDRAM三部分組成。若對(duì)圖像有更高的要求，可以用800萬(wàn)像素的OV8865攝像頭替換OV5640，這里以O(shè)V5640為例說(shuō)明。

在圖像采集系統(tǒng)中，由OV5640完成采集圖像的任務(wù)。OV5640是OmniVision公司設(shè)計(jì)的一款分辨率為5 MP的攝像頭。其感光面積為1/4英寸，像素大小為1.4 μm*1.4 μm，且內(nèi)置自動(dòng)對(duì)焦馬達(dá)，可對(duì)焦的范圍為5 cm～無(wú)限遠(yuǎn)。其內(nèi)置的JPEG壓縮引擎，可直接輸出高質(zhì)量的JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)。該攝像頭極大簡(jiǎn)化了超清拍攝的應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程。

EPM240T100是由Altera公司推出的一款具有革命性意義的CPLD產(chǎn)品。它基于全新的CPLD架構(gòu)，幾乎囊括CPLD全系列產(chǎn)品的IO管腳。并且EPM240T100采用全新的查表體系(LUT)，在降低成本和功耗的同時(shí)，保留上一代MAX系列原有的瞬時(shí)啟動(dòng)、單芯片結(jié)構(gòu)、非易失性和易用性等優(yōu)勢(shì)，具有革命性意義。EPM240T100在本圖像采集系統(tǒng)中，作為傳遞數(shù)據(jù)信息的橋梁，協(xié)調(diào)OV5640攝像頭、SDRAM以及主控MCU完成數(shù)據(jù)傳遞的工作。

W9864G6KH是由Winbond公司推出一款8M Byte的高速SDRAM。其具有功耗低、容量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在本圖像采集系統(tǒng)中，當(dāng)OV5640攝像頭采集到圖像后，便將數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在該SDRAM中，等待CPLD將其數(shù)據(jù)發(fā)送給主控MCU的數(shù)據(jù)接口。W9864G6KH在工作過(guò)程中，總是需要外部設(shè)備對(duì)其進(jìn)行定時(shí)性刷新充電，在此圖像采集系統(tǒng)中，它的刷新和讀寫都是由CPLD完成的。

圖6 高清圖像采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 高清圖像采集系統(tǒng)工作過(guò)程

當(dāng)圖像采集系統(tǒng)上電初始化后，PC機(jī)發(fā)送一個(gè)“握手”指令，該指令通過(guò)CC2530模塊以無(wú)線的方式被傳送至四旋翼飛行器。四旋翼飛控接到指令，再次以無(wú)線的方式將“確認(rèn)”指令傳送給PC機(jī)，地面站PC機(jī)和四旋翼配對(duì)成功。

此時(shí)，若PC機(jī)發(fā)送“拍照”的指令，該指令將會(huì)通過(guò)CC2530無(wú)線串口模塊再次傳送給四旋翼飛行器。四旋翼主控MCU接到“拍照”指令后，通過(guò)I2C總線將該指令傳入OV5640高清攝像頭，OV5640執(zhí)行拍照的操作。由于OV5640自帶JPEG圖像壓縮引擎，其在采集到圖像后直接輸出JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)。該圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPLD內(nèi)置的數(shù)據(jù)總線仲裁器存儲(chǔ)在SDRAM中。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，主控MCU利用自帶的SPI總線通過(guò)CPLD的“24位地址及圖片長(zhǎng)度寄存器”以及“SPI移位輸出寄存器”一段一段(程序中設(shè)定，每一段為512字節(jié))的將圖像數(shù)據(jù)從SDRAM中搬運(yùn)至MCU的“SPI圖像數(shù)據(jù)接收單元”。被搬運(yùn)出來(lái)的圖像數(shù)據(jù)再經(jīng)主控MCU內(nèi)部的“UART指令及數(shù)據(jù)接口”傳送給CC2530無(wú)線模塊，最后以無(wú)線的方式傳送給地面站PC機(jī)。通過(guò)PC機(jī)的上位機(jī)，可將圖片顯示出來(lái)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于設(shè)計(jì)的高清圖像采集系統(tǒng)是以低成本四旋翼為載體的，故實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分為兩部分。第一部分是驗(yàn)證四旋翼飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，第二部分是驗(yàn)證圖像采集系統(tǒng)采集到圖像的質(zhì)量。

4.1 驗(yàn)證四旋翼飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性

四旋翼飛行過(guò)程中會(huì)受到的很多影響因素影響，如：重力、陀螺效應(yīng)、空氣動(dòng)力等。因此在實(shí)際測(cè)試中，很多硬件參數(shù)需要標(biāo)定，本四旋翼的相關(guān)參數(shù)如下：l=25cm，m=1.25kg，Ix=0.0202kg·m2，Iy=0.0201kg·m2，Iz=0.0404kg·m2。

由2.2中的圖3可知，本設(shè)計(jì)采用串級(jí)PID來(lái)控制四旋翼的飛行姿態(tài)，而在該串級(jí)PID控制系統(tǒng)中，每一級(jí)PID輸出量的位置式表達(dá)式為

(7)

因此，測(cè)試和標(biāo)定姿態(tài)角的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD則至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，最終確定3個(gè)姿態(tài)角的PID參數(shù)見(jiàn)表1，在該P(yáng)ID參數(shù)下，四旋翼可以達(dá)到平穩(wěn)的飛行效果。

表1 姿態(tài)角PID參數(shù)

當(dāng)四旋翼的PID的參數(shù)整定完畢后，對(duì)四旋翼低空自穩(wěn)飛行時(shí)的姿態(tài)角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，姿態(tài)角的具體變化如圖7所示。從圖中可以看出，滾轉(zhuǎn)角和俯仰角的變化均在-5°～5°之間，而航偏角的變化均在-30°～-15°之間，充分證明了控制算法的有效性和穩(wěn)定性。

圖7 四旋翼自穩(wěn)狀態(tài)下姿態(tài)角曲線

4.2 高清圖像采集系統(tǒng)的測(cè)試

本文為該款低成本四旋翼設(shè)計(jì)的圖像采集系統(tǒng)，采用高清攝像頭OV5640+CPLD+SDRAM的緩存模式。攝像頭采集到的圖片數(shù)據(jù)首先存入SDRAM中，再利用主控MCU一段一段的將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送出去。采用該種模式的圖像采集系統(tǒng)，可幫助中低端MCU繞開(kāi)拍攝高清圖片所需要的處理速度和存儲(chǔ)空間，而只需像驅(qū)動(dòng)低速設(shè)備一樣即可實(shí)現(xiàn)高清圖像拍攝。

如圖8所示，在無(wú)風(fēng)的室外環(huán)境下對(duì)四旋翼進(jìn)行測(cè)試。在低空狀態(tài)下，在四旋翼達(dá)到穩(wěn)定飛行狀態(tài)后，開(kāi)啟圖像采集系統(tǒng)拍攝圖像。

圖8 四旋翼室外飛行狀態(tài)測(cè)試

為了對(duì)比本圖像采集系統(tǒng)的效果，使用目前市面上普通的低成本四旋翼與本設(shè)計(jì)做比較。兩個(gè)四旋翼先后在大致同一位置，開(kāi)啟圖像采集系統(tǒng)。如圖9所示，左圖為本圖像采集系統(tǒng)拍攝的高清圖片，右圖為市面上低成本四旋翼自帶圖像采集系統(tǒng)拍攝的圖片。由圖可知，本圖像采集系統(tǒng)拍攝的圖片效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通低成本四旋翼的圖像采集系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在四旋翼的研究和應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛、四旋翼的需求量越來(lái)越大的情況下，一部分低成本四旋翼很難做到在高精度自穩(wěn)控制的同時(shí)采集高清圖片。本文針對(duì)這類低成本四旋翼飛行器的缺陷，對(duì)其飛行控制算法和圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。在飛控算法中，采用多個(gè)串級(jí)PID來(lái)控制四旋翼的飛行姿態(tài)和高度；同時(shí)采用時(shí)間片輪的方式協(xié)助MCU進(jìn)行多個(gè)任務(wù)的調(diào)度，極大了保證了四旋翼飛行的穩(wěn)定性，使低成本四旋翼亦可實(shí)現(xiàn)高精度的自穩(wěn)控制。在圖像采集方面，本文借鑒文獻(xiàn)[3,4]的設(shè)計(jì)思路及相關(guān)的實(shí)際工程項(xiàng)目，采用高清攝頭+SDRAM+CPLD的緩存模式改進(jìn)飛行器的圖像采集系統(tǒng)，使中低端的MCU依然可以實(shí)現(xiàn)高清圖片的拍攝效果。最終，低成本四旋翼飛行器可以實(shí)現(xiàn)在高精度自穩(wěn)控制的同時(shí)拍攝高清圖片。

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