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        基于教學和科普工作的微型四軸四旋翼無人機的設(shè)計

        2018-10-22 11:40:46周三元亓君藝鄒珊田耕
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2018年14期
        關(guān)鍵詞:無人機教學

        周三元 亓君藝 鄒珊 田耕

        摘 要:眾所周知,無人機的研究主要是針對軍事訓(xùn)練以及實戰(zhàn)模擬的工具。20世紀20年代,第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā),無人機首次出現(xiàn)于軍事應(yīng)用中。至今,無人機在軍事、城市管理和視頻拍攝等方面的應(yīng)用較為廣泛。隨著科技的發(fā)展,無人機已逐漸在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的高校課堂上出現(xiàn),但在西藏地區(qū)此現(xiàn)象寥寥無幾,故希望借助這次研究,認真分析當下無人機的發(fā)展狀況,了解掌握無人機工作原理(涉及力學、電工學等),研發(fā)一款微型的用于教學實踐的無人機。在此希望將來能有更多無人機愛好者參與其中,也希望將來能夠開設(shè)相關(guān)課程,積極培養(yǎng)學生在無人機方面的興趣,以實驗、設(shè)計推動學生學習興趣和熱情。

        關(guān)鍵詞:教學;科普;無人機

        中圖分類號:V249 文獻標志碼:A

        0 前言

        自20世紀60年代中期開始,我國研制無人機已有50多年的歷史,其研究發(fā)展在總體設(shè)計、組合導(dǎo)航、飛行控制、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對抗與反對抗等諸多領(lǐng)域都有所建樹?,F(xiàn)如今,無人機主要應(yīng)用于航拍、軍事、農(nóng)業(yè)等方面。通過這次研究,我們已自購相關(guān)耗材,并親自實驗、設(shè)計,目的是希望將我們的設(shè)計理念扎根于學生這樣一個群體中,讓學生們知道無人機的飛行原理與設(shè)計。例如,無人機如何起飛?如何編程使無人機正常起飛?如何使無人機定高、定速飛行?如何使無人機更多功能化服務(wù)于人群中?其涉及的學科非常多,作為一種學習的介質(zhì),以實踐求真知,會有很好的教學效果。除此之外,無人機在高原學科的應(yīng)用一直是個盲區(qū),我們希望能夠利用本次研究,培養(yǎng)一批學生無人機愛好者,更希望今后能將其應(yīng)用于實驗設(shè)計和課堂教學,以開辟新的學科和研究領(lǐng)域,激發(fā)學生興趣和創(chuàng)新熱情,這無疑是一個極好的開端。

        1 微型四軸四旋翼無人機材料分析

        我們選擇了一款支持材料生產(chǎn)的公司,進行無人機材料加工,基本的硬件設(shè)計有:

        (1)STM32F103C8T6 32位微控制器;

        (2)MS5611 氣壓計(IIC);

        (3)MPU6050 三軸陀螺儀,三軸加速度計(IIC);

        (4)HMC5883 磁強計(IIC);

        (5)nRF24L01 2.4G無線模塊(SPI);

        (6)藍牙(串口2);

        (7)上位機 (串口1);

        (8)LED (I/O口);

        (9)電機,MOS管 (PWM輸出)。

        四旋翼主控芯片為 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32位微控制器 STM32f103C8T6。遙控器主控芯片為 ARM Cortex-M0 架構(gòu)的32位微控制器 STM32f030C8T6。傳感器采用高精度陀螺儀和加速度計 MPU6050。電源采用了先升壓再降壓的方案,確保了控制系統(tǒng)和傳感器供電的穩(wěn)定。電池采用 500mAh 航模鋰電池,續(xù)航能力強。

        采用 2.4G 無線遙控和藍牙手機遙控兩種遙控方式。2.4G 無線遙控的手感更佳,而藍牙手機 APP 遙控會更加便捷。

        2 四旋翼姿態(tài)描述和基本控制

        Roll為滾轉(zhuǎn)角,主要表示飛機的滾轉(zhuǎn);Pitch為俯仰角,主要表示飛機的俯仰;Yaw為偏航角,主要表示飛機的偏航。通過這3個角度,可以唯一確定飛機在空中的姿態(tài)。而如果保持這3個角度穩(wěn)定,比如說都為0,則飛機水平豎直垂直穩(wěn)定,就是姿態(tài)穩(wěn)定。具體到四旋翼上,在選定了四旋翼的機頭后,我們就可以規(guī)定以上3個角度。接下來我們就可以用傳感器測量這3個角,通過控制器,讓這3個角保持為遙控器給出的姿態(tài)角,從而就可以穩(wěn)定地控制四旋翼。

        PID控制器的對于無人機也是至關(guān)重要的,其決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性??刂频暮诵木褪菍W習控制理論,采用反饋的概念,將輸出引入到輸入中,用輸出來調(diào)節(jié)輸入,從而保證輸入對輸出影響符合我們的設(shè)計要求。

        STM32單片機的開發(fā)。STM32是32位ARM Coterx-M3內(nèi)核的處理器,主頻可以達到72MHz,同時采用精簡指令集,滿足了四旋翼的控制需求,且能為以后的電子設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

        軟件使用:C 語言源代碼、工程基于 ARM 內(nèi)核單片機主流開發(fā)環(huán)境:Keil-MDK、使用的庫函數(shù)版本為 ST 最新官方 V3.5 固件函數(shù)庫。

        算法:硬件 DMP 進行姿態(tài)解算,姿態(tài)數(shù)據(jù)更為準確;卡爾曼濾波、低通濾波、滑動平均濾波,讓數(shù)據(jù)穩(wěn)定;串級 PID 控制算法,更穩(wěn)定的控制效果。

        3 微型四軸四旋翼無人機在教育中的應(yīng)用

        3.1 平臺優(yōu)勢

        無人機技術(shù)的發(fā)展,使無人機航拍在突發(fā)性事件、自然災(zāi)害、廣告等紀實性報道中的畫面充實感和鏡頭語言感獲得更好的表達,其非常廣泛的應(yīng)用也實現(xiàn)了更多的社會和經(jīng)濟效益。在很多實時性新聞報道中,無人機以其能夠近距離拍攝、將畫面?zhèn)魉突貋淼囊幌盗袃?yōu)勢為人們了解事件進程提供了有效途徑。除了上文提到的影視作品拍攝、突發(fā)事件現(xiàn)場報道、測繪勘測等應(yīng)用場合外,無人機航拍還廣泛應(yīng)用于森林防火、邊境巡邏、應(yīng)急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、地震調(diào)查、核輻射探測、管道巡檢、保護區(qū)野生動物監(jiān)測、軍事偵察、海事偵察、保釣活動以及環(huán)境監(jiān)測等方面。這也為我們無人機應(yīng)用于教育事業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。

        隨著我國低空管制政策開放、技術(shù)發(fā)展、電子設(shè)備模塊化程度提高,無人機有其體積小、操控性強的特點,只要相對較小的場地就可以完成起落,不受場所限制,使得作業(yè)時的運輸和轉(zhuǎn)場都比較便利。比如需要走出野外專業(yè)的同學在危險的懸崖、深山、森林等地段,可以利用無人機的優(yōu)勢,將其傳回的畫面與相關(guān)信息結(jié)合來完成高難度的野外任務(wù),這樣就大大降低了野外操作的危險性,同時也彌補了我們?nèi)粘=逃龁我换牟蛔?,還可以利用全方位的探索來豐富和完善學習所需資料。

        3.2 培養(yǎng)學生實踐與技術(shù)相結(jié)合的能力需求

        利用無人機來進行相關(guān)教育是一項動手能力和實踐能力都非常強的技能,如果學生僅掌握了無人機的起飛、降落、空中懸停、航線作業(yè)等操作技能是遠遠不夠的,還需要學生從原理上了解無人機,也就是我們要適時地進行無人機知識的科普,只有明白了無人機的原理機制才能夠更好地去操作它,從而達到我們教育的目的。一方面,由于無人機本身還受到其他因素的影響(如:技術(shù)、天氣以及無線電干擾等),容易造成無人機不同程度的損失。另一方面,當工作場合不同或影響無人機的其他因素發(fā)生改變時,我們學生需要對無人機的一些飛行要素進行調(diào)整或修改,而這就需要操作人員具備對無人機的結(jié)構(gòu)、飛行控制技術(shù)和機械加工能力等技能的相關(guān)知識和能力。通過培養(yǎng)學生的動手實踐能力,讓學生除了可以運用本專業(yè)的知識開展無人機實踐外,還能夠完成無人機的維修與維護,既達到了學習的目的又掌握了部分無人機技術(shù),符合當前跨學科、多領(lǐng)域、理論與實踐并重的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求。

        3.3 開展無人機教學實踐的初步構(gòu)想

        在無人機航拍技術(shù)培訓(xùn)實踐中,初期以電腦模擬系統(tǒng)練習,使學生建立飛行空間意識和操控動作的條件反射能力。在具備了一定的飛行技術(shù)和經(jīng)驗之后,完成固定航線作業(yè)的模擬拍攝技術(shù)。然后進一步深入實現(xiàn)拍攝設(shè)備與地面接收設(shè)備之間的連接,使兩者逐步磨合、達到默契。隨著飛控手不斷地觀察拍攝場景,測試拍攝角度、景別,達到精準、穩(wěn)定、靈活、熟練的操控無人機要求。最后,按照相關(guān)的航拍要求和流程,根據(jù)學習需要對真實場景進行拍攝。

        參考文獻

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        [3]謝春茂.無人機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展及市場研究[J].科技傳播,2013(11):77-79.

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