李蕊冰

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710000）

0 引言

隨著多傳感融合技術(shù)的不斷發(fā)展[1]和圖像處理技術(shù)的不斷提高，四旋翼飛行器航拍技術(shù)廣受人們歡迎，其中定點(diǎn)懸停技術(shù)已成為航拍中不可或缺的一部分，該技術(shù)要求四旋翼飛行器定點(diǎn)懸停在空間中某一指定點(diǎn)，并完成該點(diǎn)處的任務(wù)。現(xiàn)有采用GPS 定位的四旋翼飛行器具有全天候、高覆蓋率等優(yōu)點(diǎn)[2]，但其抗干擾性弱、隱蔽性差；光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)定位精確度高，價(jià)格貴，適合在室內(nèi)有攝像頭或光照強(qiáng)度低的環(huán)境，且飛行器只能在攝像頭捕捉到的范圍內(nèi)，十分受限[3]。光流模塊是將光學(xué)追蹤傳感器PMW3901 和激光測(cè)距傳感器VL53L0X 相互融合實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停技術(shù)，其精確性比GPS 定位高，價(jià)格低于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可以更好地服務(wù)于人類。

1 基本工作原理

（1）基本結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器包括電調(diào)、電機(jī)、電池、槳葉、機(jī)架、飛行控制器（飛控）、遙控器等。

①電調(diào)：即電子調(diào)速器，用以控制電機(jī)的起停及轉(zhuǎn)速。

②電機(jī)：安裝在槳葉下邊，為槳葉提供動(dòng)力。

③電池：用于滿足四軸的用電需求，為四軸飛行提供充足的電量。

④槳葉：為四軸提供飛行動(dòng)力，有正反槳之分，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的槳葉為正槳。

⑤機(jī)架：是四旋翼飛行器的主干，承載了各個(gè)部分。

⑥遙控器：用于發(fā)送各種指令，控制四旋翼飛行器的飛行。

⑦飛控：不僅可以分析數(shù)據(jù)，求解姿態(tài)，還能夠控制四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)。

（2）動(dòng)力學(xué)模型

四旋翼飛行器是在飛控的作用下改變電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，引起四軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，槳葉產(chǎn)生不同的升力，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置，這使得四軸在空中可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)，如垂直升降、前后左右、順逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)等。

四旋翼飛行器的支架可分為“+”字模式和“X”模式[4]?！癤”模式的支架控制響應(yīng)速度快，視野開闊[5]。下面以常見的“X”模式四旋翼飛行器為例，簡(jiǎn)述幾種飛行運(yùn)動(dòng)。如圖1 所示。

圖1

①當(dāng)MI、M2、M3、M4 輸出功率同時(shí)增加或減小，可以實(shí)現(xiàn)垂直升降；

②當(dāng)M1 和M4 輸出功率減小或不變，M2 和M3輸出功率增大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)；

③當(dāng)M1 和M2 輸出功率減小或不變，M3 和M4輸出功率增大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)向右運(yùn)動(dòng)；

④當(dāng)M1 和M3 輸出功率減小或不變，M2 和M4輸出功率增大時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

2 光流模塊

2.1 硬件設(shè)計(jì)

四軸由以UART 方式通信的兩個(gè)主控MCU 控制，NRF51822 主要是無(wú)線通信和電源管理，STM32F411 負(fù)責(zé)讀取傳感器、融合數(shù)據(jù)等。承接在STM32F411 主控芯片上的是以IIC 方式與四軸通訊的九軸傳感器MPU9250 和氣壓傳感器BMP280，該傳感器可以測(cè)量四軸姿態(tài)數(shù)據(jù)和氣壓等。其硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2

光學(xué)追蹤傳感器PMW3901 是原相公司研發(fā)的，可測(cè)量0.8 米以上的水平距離，工作電流小，電壓易滿足。1.8V 和3.0V 的LDO 分別提供給VDD 和VDDIO，SPI 接口連接SPI2，片選信號(hào)為PA8，LED1 為紅外LED。

激光測(cè)距傳感器VL53L0X 包含紅外接收器和激光發(fā)射器，利用接收到光子的時(shí)間計(jì)算距離，測(cè)距更加精準(zhǔn)。該傳感器通過(guò)下拉電阻得到最佳電壓，使用IIC通信接口，通信最大速率400K。圖3 為光流模塊與飛控的連接框圖，圖4 為光流模塊的實(shí)物圖。

圖3 連接框圖

圖4 實(shí)物圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

NRF51822 主要負(fù)責(zé)無(wú)線通訊和電源管理，遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信傳至系統(tǒng)等進(jìn)行解析，如果不是發(fā)送給NRF51822，則途經(jīng)串口驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給STM32F411，當(dāng)STM32F411 收到數(shù)據(jù)包時(shí)，又原路返回給遙控器，因此，該傳感器就搭建了通信橋梁。

STM32F411 是四旋翼飛行器的核心，主要負(fù)責(zé)傳感器的讀取，數(shù)據(jù)的融合等。當(dāng)接收到遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過(guò)無(wú)線通信和數(shù)據(jù)接收包發(fā)送給四軸，待四軸解析完數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后轉(zhuǎn)發(fā)給電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，完成相應(yīng)的飛行動(dòng)作。

光學(xué)追蹤傳感器PMW3901 與四軸采用SPI 的通信方式，其源碼由底層SPI 驅(qū)動(dòng)和光流數(shù)據(jù)通信組成。底層SPI 驅(qū)動(dòng)配置有2 線全雙工，2M 波特率和主機(jī)模式。SPI 的收發(fā)均使用DMA 的方式，接收DMA使用DMA1 數(shù)據(jù)流3，發(fā)送DMA 使用DMA1 數(shù)據(jù)流4。激光傳感器VL53L0X 與四軸采用IIC 的通信方式，通信源碼主要有底層IIC 驅(qū)動(dòng)和激光測(cè)距應(yīng)用。底層IIC 驅(qū)動(dòng)配置2 個(gè)通用I/O（PB4/PB5）模擬IIC。每一部分都有其相應(yīng)的程序代碼，圖5 為軟件系統(tǒng)控制框圖。

圖5 軟件系統(tǒng)框圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

以匿名科創(chuàng)地面站為背景，用USB 數(shù)據(jù)線將四軸與電腦連接起來(lái)，電腦端呈現(xiàn)出虛擬四旋翼飛行器，分析、記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行室外飛行，重復(fù)以上操作，多次實(shí)驗(yàn)，得到相關(guān)結(jié)果。圖6 為虛擬四旋翼飛行器的控制狀態(tài)圖，圖7 為在該控制狀態(tài)下的波形圖。

圖6 控制狀態(tài)圖

圖7 波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文在現(xiàn)有四旋翼飛行器技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行更精準(zhǔn)的定點(diǎn)懸停技術(shù)改進(jìn)，從硬件和軟件兩部分介紹了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停技術(shù)的方式方法，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)論證分析及室外試飛檢測(cè)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性、可靠性、穩(wěn)定性及精確性滿足需求。