馬浩然 王博

【摘要】? ? 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作了四旋翼自主巡線無人機(jī)。該系統(tǒng)包括STM32F103RCT6開發(fā)板為控制核心即飛行控制模塊、OPENMV視覺循跡模塊和超聲波模塊。OPENMV視覺循跡模塊負(fù)責(zé)采集并處理圖片，將處理好的路徑信息傳輸給控制核心，超聲波模塊負(fù)責(zé)測量無人機(jī)離地高度，并傳輸給主控，各測量模塊與飛行控制模塊通過串口保持實(shí)時(shí)通信，飛行控制模塊根據(jù)反饋的實(shí)時(shí)信息，控制電機(jī)完成自主巡線飛行。[1]。

【關(guān)鍵詞】? ? 無人機(jī)信息通訊? ? 四旋翼自主飛行器? ? STM32單片機(jī)? ? 攝像頭循跡

引言：

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，無人機(jī)是一種通過由無線控制或機(jī)身自控系統(tǒng)操縱的無人飛行器。[2]因此提高無人機(jī)巡線的技術(shù)水平，解決無人機(jī)巡線的安全問題，是現(xiàn)代無人機(jī)研究須重點(diǎn)解決的問題。[3]

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由飛行控制模塊、視覺巡線模塊、超聲波模塊、電調(diào)及電機(jī)模塊、導(dǎo)航及慣導(dǎo)模塊組成，外部結(jié)構(gòu)由機(jī)架、電調(diào)、電機(jī)、及各種核模塊構(gòu)成。機(jī)架為剛性X結(jié)構(gòu)，各模塊均安裝在機(jī)架中心區(qū)域，電調(diào)附著在機(jī)架機(jī)臂上，電機(jī)在四個(gè)機(jī)臂末端。

飛行控制模塊采用STM32F103RCT6芯片，主要負(fù)責(zé)通過電調(diào)控制四個(gè)電機(jī)，進(jìn)而控制飛機(jī)的飛行姿態(tài);導(dǎo)航模塊以獨(dú)立封裝IMU，MPU6050、IST8310、SPL06-001構(gòu)成，該模塊負(fù)責(zé)收集無人機(jī)的三維立體數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得出飛行狀態(tài)，發(fā)送給飛行控制模塊調(diào)整飛行姿態(tài);電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定能源。

二、系統(tǒng)硬件與設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件主要包括智能集散點(diǎn)和四旋翼端的硬件設(shè)計(jì)。

2.1四旋翼端的驅(qū)動模塊方案

2.1.1 2213/13T1000KV無刷直流電動機(jī)

本系統(tǒng)采用的是2213/13T1000KV無刷直流電動機(jī)。相較于有刷電機(jī)，無刷電機(jī)摩擦小，損耗小，運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，壽命長，能提供較高的轉(zhuǎn)速和較強(qiáng)扭力，并且具有調(diào)速范圍大、效率高和穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。[4]

2.1.2 脈沖寬度調(diào)制PWM調(diào)速

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，根據(jù)本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和無刷直流電機(jī)調(diào)速模式，本設(shè)計(jì)采用了PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。[5]

2.2飛行控制模塊設(shè)計(jì)

自行設(shè)計(jì)了以STM32F103RCT6（圖1左）為主控的獨(dú)立封裝IMU（圖1右）的飛控，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路設(shè)計(jì)相對簡單，網(wǎng)上飛控開源資料多，也較為成熟。

2.3攝像頭模塊的論證與選擇

無人機(jī)尋跡的關(guān)鍵在于攝像頭采集處理信息的好壞，若圖片出現(xiàn)失真模糊重影，將直接影響下一步飛行姿態(tài)的調(diào)整。

本設(shè)計(jì)采用攝像頭是OpenMV攝像頭，OpenMV是一個(gè)開源代碼的裝載OV7725攝像頭以STM32F427CPU為核心芯片功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。[6]該攝像頭滿足后續(xù)處理和尋跡識別的要求。

三、系統(tǒng)電路與程序設(shè)計(jì)

3.1電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括STM32處理器的最小系統(tǒng)板為核心的飛控、超聲波測距模塊、OpenMV攝像頭模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，其中超聲波測距模塊和OpenMV攝像頭模塊需要外接在STM32處理器上與核心實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總體工作框圖如圖2所示。

3.2程序設(shè)計(jì)

在前期進(jìn)行方案確定后，針對題目要求，最終寫出合適算法，進(jìn)行控制。程序流程圖如下：

3.2.1超聲波模塊子程序流程圖

超聲波模塊子程序如圖3所示。通過往返超聲波的時(shí)間，來計(jì)算離地高度。

3.2.2攝像頭模塊程序流程圖

攝像頭模塊程序是尋跡算法的核心，攝像頭模塊的程序流程如圖4所示。

四、結(jié)束語

該無人機(jī)系統(tǒng)采用OpenMV攝像頭模塊，以STM32F103RCT6芯片為控制核心，在巡線算法上采用圖像二值化的方法處理計(jì)算路徑信息，能夠平穩(wěn)的完成自主巡線的功能。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]張捷.電力巡線無人機(jī)實(shí)時(shí)避障方法研究[J].科技風(fēng)，2021（08）：195-196.

[2]余鵬，田杰，劉鐵軍，郗小鵬.電動多旋翼無人機(jī)在高壓電路協(xié)同巡線中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（02）：34-37+54.

[3]丁多斌，馮向萍，丁燕，孫元明.基于STM32四軸無人機(jī)自主巡線設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)程，2021，29（02）：142-145.

[4]楊忠炯，王卉，董棟.無人機(jī)輸電線路巡線系統(tǒng)及應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（04）：162-166.

[5]付昱瑋，李字明，姜洪.無人機(jī)巡線的發(fā)展和應(yīng)用研究[J].黑龍江科技信息，2014（03）：25-27.

[6]湯明文，戴禮豪，林朝輝，王芳東，宋福根.無人機(jī)在電力線路巡視中的應(yīng)用[J].中國電力，2013，46（03）：35-38.