基于单片机的四旋翼飞行器智能控制及图像实时传输系统设计

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2013年 9月第 32卷 第 5期重庆文理学院学报Journal of Chongqing University of Arts and SciencesSep．，2013V01．32 No．5基于单片机的四旋翼飞行器智能控制及图像实时传输系统设计包宋建，李文森，李琛瑶，王 宇(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永Jl 402160)[摘 要]四旋翼飞行器在许多领域有着很好的应用前景，但四旋翼飞行器控制系统十分复杂，文章以AVR单片机为控制核心，设计具有红外传感器进行智能避障的控制算法，并且拥有良好稳定性的四旋翼飞行器．在此基础上加装远程图像 实时传榆系统，将图像时时传输回来，从而对图像做出时时处理．由此可以使得该飞行器在生活中抢险救灾，以及地质勘查等环境中得到有效工作，获得可靠信息，凸显该飞行器的实用价值.

[关键词]避障；图像传输系统；控制算法；救灾[中图分类号]TH112 [文献标志码]A [文章编号]1673—8004(2013)05—0053—04四旋翼飞行器是一种灵活性强，有高度机动性和有效承载力的飞行器．四旋翼飞行器可以在悬空静止的状态下瞬时改变其姿态，因此，在一些场合四旋翼飞行器发挥着特有的优势，具有重要的作用．本文以AVR单片机为控制核心，控制陀螺仪加速器，实现姿态的控制．利用红外传感器可探测障碍信息，将信息反馈给单片机，做出适当的措施进行避障．配以无线遥控模块，可以实现远程操作控制．与此同时，加上无线视频模块辅助，可进行高空拍摄，并将图像信息实时传递，进行无线时时视频监控，获取的图像传回指定的服务器上，给工作人员提供必要信息做出决策 一 .

1 四旋翼飞行器的飞行控制原理四旋翼飞行器是由2对桨翼组成，飞行动力就是由这两对旋翼提供的．通常的情况是，只要控制每一个旋翼上的旋转速度，而桨叶的桨矩角和旋翼轴均不变．因为飞行器的各种姿态是由这两对桨翼产生的升力和扭力来控制的，桨叶的桨矩角起不到调节作用．每对旋翼上的桨叶是正反一 对的，这样，在飞行时正反桨叶所产生的桨距正好相反，转矩便可以相互抵消，从而达到整个飞行器的转矩平衡，不会出现打转现象H]．当要改变飞行器的飞行角度时，可改变总的转矩，即加大两个正桨或反桨的转矩即可实现．四旋翼飞行器的飞行速度则是 由俯仰角 和电机 的转 动速度共 同决定 的．通过这两者可以达到控制飞行器的 目的．如 图 1所示为飞行器的飞行原理 图.

黯图 1 四旋翼飞行器的飞行原理[收稿 日期]2013-03-22[基金项目]重庆文理学院学生科研项目(120021).

[作者简介]包宋建(1974一)，男，重庆永川人，讲师，硕士，主要从事视频编码与嵌人式系统控制方面的研究53 本飞行器的硬件及结构设计主要是由支撑部分、旋翼部分、飞行控制部分、红外避障部分、无线遥控部分以及无线图像传输部分组成.

1．1 支撑部分和旋翼部分支撑部分即飞行器主机架由高强度高韧性工程尼龙板铝合金方管不锈钢高强度螺丝构成，轴矩 为 550 mm，采用 可 折叠 设 计，简单 操作 ．旋翼部分由电机、桨叶组成．从性能和总重量考虑，选用新西达 A2212无刷直流电机，重量48 g，选择 kV值为 1 000，扭力大．工作电压11 V，电流 9．9 A，转速 7 130转，推力 650 g．可通过调节电机的占空比来调节电压的转速．根据kV值高配小桨，kV值低配大桨，因此采用与之相应的 1 045大桨.

1．2 飞行控制部分本飞行器的飞行控制部分主要是由无刷电调部分、陀螺仪传感器、加速度传感器、大气压传感器等部分组成。 .

1．2．1 无刷 电调部分由于无刷电机使用的是三相交流电，和有刷电机不同，没有电刷．因此要把电池的直流电引入，用电调将其转化为三相交流电，从而启动无刷电机．同时，电调也起着将电机和单片机相连接的作用，因为电机工作需要大电流和大电压，当直接将单片机采用单片机控制电机用的外部电源供给大电流时，单片机会因电流电压过大而直接烧毁，若不用外部单 片机则无 法提供足够的电压电流．因此本文选用了兼容性好的3OA的SkyWalker电调．该电调自带 PID控制器，能54很好地控制电机，让飞行器平稳地在空中悬停、飞行.

1．2．2 陀螺仪传感器为了采集飞行器 3个方向的角速率，本文采用了3个角速度陀螺仪，型号是 ENC一03R．从而，控制器可通过对陀螺仪输出的角加速度进行积分计算获得飞行时需要偏离的角度.

1．2．3 加速度传感器由于陀螺仪的使用会出现温度漂移现象，在做完一次相反方向的旋转后，陀螺仪的积分并不为零，存在偏差．而且，在 ENC一03R上偏差较大，如果不加以校正便会出现问题．因此必须用加速计测得数据，然后对所获得的数据加以修正补偿．有一种更好的修正补偿，就是在此基础上融入卡尔曼滤波的方法．本文采用飞思卡尔公司生产的MMA7360型加速度传感器.

1．2．4 大气压传感器本系统采用了常用的飞思卡尔公司生产的型号 MPX41 15大气压传感器，此传感器的作用是用来控制飞行器的飞行高度.

1．3 红外避障模块为了增强飞行器的适应性，本系统采用了广泛运用的红外避障模块．红外传感器是一种比较有效的传感器．避障传感器通常由一个红外发射+红外接收组成，这个红外接收管对 38 kHz信号比较敏感，红外发射管发射这个波段 的红外线．当碰到障碍物后，红外波被反射回来，接收管接收到，就判断这个方向上有障碍物．红外传感器的电路如图2所示.

‘j ．9图2 红外传感器的电路1．4 无线遥控模块为了实现远程无线遥控，设计中采用了蓝牙传输模块．通过与 AVR相连，PC机可以通过蓝牙发送器将控制命令传递给飞行控制板上的蓝牙接收器．当蓝牙接收器接受到命令后 ，可将命令通过 UART通讯传给 AVR，再由AVR单片机发出PPM波传送到姿态控制模块，来控制飞行器的飞行姿态.

1．5 无线视频模块为了解飞行器经过地方的信息，需要进行图像采集并进行无线传输．本设计中，采用了COMS 208型彩色无线摄像头．改变摄像头芯片内自带压缩算法，使得所得图片数据量变小，便于数据的无线传输．数据传输采用 FM调制，之后接收端经解调后将图像解压．得到的图像有视频采集卡传送到上位机上.

2 系统设计整个硬件系统的设计如图3所示.

叵固 匡／＼ ，圈 ? 事 —网 巨3 软件设计图 3 系统硬件框图相对硬件设计，软件设计才是本设计的难点．因此，本系统采用了C语言编制来完成软件方面的设计．其功能主要为，完成 接 收控制 指令 ，对飞行器 的姿态进行 控制．完成红 外探测到障碍物的避 障处理 ，以及远程视频 图像的传输.

本系统中的飞行器姿态控制是最难的，要完成好姿态的控制必须对陀螺仪采集 回来的信息做好相应的处理，但前提是陀螺仪采集的数据是稳定可靠的．而陀螺仪存在温度漂移，所以应做好修正和补偿 J．修正前后的陀螺仪波形如图4和图 5所示.

可以看出修正后的陀螺仪积分就可以收敛了，这样便可以较好地完成姿态控制．只有保持好的飞行姿态其他模块的工作才能得以进行，拥有了好 的控制算法 并配上各模块 的协调工作 ，飞行器才可 以在实 际生活中很多领域得以广泛运用.

图 4 修正前的陀螺仪波形一 z ■～ 抽遣虞计x鞋～ {＼ ^
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f一 ～ 、 ． 、i 弱§辑 i艄蔼 毽i 菩薅荟誉菪毫菪誉荟荟髫 霉8馆8毫S宕8{ 8 8鲁gj √图5 修正前后的陀螺仪波形4 结论本文以AVR单片机为控制核心，设计了具有红外传感器进行智能避障的控制算法，且拥有良好稳定性的飞行系统——四旋翼飞行器．详细介绍了系统设计、软件分析，在飞行器上加装远程图像实时传输系统，将图像时时传输回来，从而对图像做出时时处理．由此可以使该飞行器在抢险救灾、地质勘查等实用中得到有效工作，获得可靠信息，凸显该飞行器的实用价值.

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Design of four rotor aircraft inteligent control and real time imagetransmission system based on single—chipBA0 Songjian，LI Wensen，LI Chenyao，WANG Yu(Colege ofElectronic and Electrical Engineering，Chongqing University ofArts andSciences，Yongchuan Chongqing402160，China)Abstract：The four—rotor aircraft has broad application prospects in many areas，but the four—rotor aircraftcontrol system is very complex．In this paper，the AVR microcontroller as control core design has infraredsensors inteligent obstacle avoidance control algorithm，and the four—rotor aircraft flight system has goodstability．On this basis，the installation of the remote real—time image transmission system，the image trans—fer back from time to time，always made on the image processing．It can make the aircraft rescue and reliefin their lives，as well as geological prospecting effectively，access to reliable information，highlighting thepractical value of the aircraft.

Key words：obstacle avoidance；image transmission system；control algorithm ；disaster relief(责任编辑 吴 强)(上接第46页)[4]忠炎平．电力电子电路设计[M]．武汉：华中科技大学出版社，2010.

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Design of inverter power supply based on high—frequency link technologyHU Yongqing(Department of sics and Engmeedng Technology，Sichuan University of Arts and Sciences，Dazhou Sichuan 63500，China)Abstract：The design implements a high～~equency link inverter power supply based on ARM7．Firstly，theadvantage of the high frequency link(HFL)technology is briefly introduced．Secondly，main circuit andcontrol scheme of the 100 VA HFL inverter power supply is designed．Finally，the waveform of the simula—tion is given to prove that the inverter power supply has good perform ance.

Key words：push—pul boost；ful—bridge inverter；inverter power supply；Cortex M3(责任编辑 吴 强)56