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[经验] 电赛获奖作品:灭火飞行器

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纯净的硅(中级)

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发表于 7 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘要
四旋翼无人自主飞行器是一种体积小,控制相对简单的飞行器。本课题设计的四旋翼自主飞行器仅以一块TI的MSP-EXP432P401R单片机为主控芯片,这也是本组的特色所在。主控芯片通过读取九轴加速度陀螺仪ICM20600 中采集的四旋翼欧拉角数据进行 PID 处理以保持飞机的姿态稳定;采用SPL06气压传感器以及超声波测距模块US-100的数据加以控制来维持四旋翼飞行的高度;采用Openmv高清摄像头追踪红色LED灯的灭火位置。此四旋翼飞行器可以实现自主起飞悬停、定高飞行巡航、寻找光源灭火、定向穿越、定点降落等功能。经测试,本组飞行器性能优良,设计精美,符合本次课题的要求。

关键词:四旋翼飞行器;德州仪器MSP-EXP432P401R;ICM20600九轴加速度陀螺仪;PID控制、US-100超声波测距;目标追踪

一、系统方案
1 主控模块的论证与选择
方案一:采用德州仪器MSP-EXP432P401单片机为核心,自主设计飞控板,但是网上开源较少,且不熟悉编译环境,自主设计飞控板难度较大。
方案二:使用成品飞控,用德州仪器MSP-EXP432P401进行控制,节约时间。但是我们要自主增添一些传感器模块如摄像和超声波。
综合考虑了以上两种方案的优劣,我们采用方案二。

2 飞行姿态控制的选择与论证
方案一:十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列,x轴和y轴成直角,调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整,角度融合简单,适合初学者,能明确头尾,飞行时机体动作精准,飞控起来也容易。但是网上成品飞控比较少此类型。
方案二:X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列,灵活性和可调性高,调整的时候应该相邻两个融合调节,融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活,旋转方式多样,可以花样飞行,也可以做出很多高难度动作,但是控制上相对比较困难。但有成熟的成品飞控,对于自主飞行来说,较为有优势。
综合以上两种方案,选择方案二。

3 角度测量模块的论证与选择
方案一:单片机集成九轴角度传感器ICM20600中读取原始数据,然后通过四元数解出姿态角。

方案二:单片机从 MPU-6050 及磁力计中读取原始数据,进行卡尔曼滤波得到四旋翼飞行器的欧拉角。
ICM20600 集成了磁力计,免去了双模块带来的系统复杂度提升,且减少了单片机的运算量,因此决定采用方案一。

4 高度模块的论证与选择
方案一:采用spl06气压传感器测量当前位置的大气压并由单片机转化为海拔高度,减去出发时的高度数值即可得到真实飞行高度。气压传感器测量范围广(海拔9000米~-500米),但误差大。
方案二:采用 US-100超声波传感器测量飞行高度。超声波传感器测量范围较小(2cm-450cm),测量精度较高(0.3cm±1%)。
方案三:使用spl06气压传感器、US-100超声波传感器、openMV-M4,取三者所采集数据的加权值,控制飞行高度,实现悬停。
综合以上各方案的优劣,我们采用方案三。

5 循迹模块的论证与选择
方案一:GPS,在室内小空间无法使用;
方案二:采用光流传感器 ADNS-3080读取地表图像,通过单片机进行分析调整飞机飞行方向,达到循迹的目的。ADNS-3080价格较贵,但精度高,反应快。
方案三:采用摄像头openMV读取地表图像,对红色光源进行捕捉,效果好,效率高。
综合考虑以上各种方案的优劣,我们采用方案三。

二、设计与论证
本系统是基于基于德州仪器MSP-EXP432P401R单片机、以Openmv图像识别为监测方案的自主四旋翼飞行器追踪巡航系统,本系统在进行图像的处理方面,又特别针对飞行器飞行姿态不稳定特征,通过采集飞行器姿态角度进行水平相对距离补偿,,从而得到较准确的飞行运动调整,实现飞行器定点悬停、目标确定、等功能。

1 控制方法描述
1)提取二值化图像
   由于场地是背景是白色,需要识别红色LED灯以及黑边线条,因此直接搜索图片中的黑色色块、红色色块及黑色线条即可获得。通过获取目标点的中心坐标与其在感光芯片上映射的像素的长度、飞行器的飞行高度计算出无人机的投影与目标的水平计算,获得这个坐标和**中心值作比较来作为控制飞行器移动方向的变量。使用MSP432 通过串口通信和飞控板通信,发送指令使飞行器改变运动状态。利用Openmv摄像头采集图像数据,对采集回来的像素点进行二值化处理。同时,在考虑单片机性能的情况下采取动态阈值以及滤波算法。最后,将二值化后的数据存入相应的图像数组;

2)识别边界并计算返航坐标
   利用Openmv对黑色线条进行识别,在巡航开始与结束时,我们可以识别到左右区域的黑色边界,我们沿线向前缓慢飞行并且与左右边界保持一定的距离,通过黑色色块反馈的像素点的多少来修正我们的航向,当我们识别到正前方的黑色色块时,放慢巡航速度,当黑色色块的像素数目到达阈值,开始向左偏航,在此之后开始返航,重复以上步骤,直到识别到黑色方框,穿越黑色框,识别红色十字,平稳降落。

2 参数计算
1)Yaw轴高度偏移
通过超声波及图像中像素点大小的变化,判断飞行器所处的高度,算出飞行器与期望高度的竖直偏移量;
2)Pitch轴以及Roll轴水平偏移
通过测量飞行器在图像中间时色块中心对应的坐标值,算出飞行器的前后和左右对应的水平偏移量。
3)偏移量对飞行器的控制

控制思路为用偏移量对飞行器进行PID控制。由于飞行过程中角度的变化,对获得的坐标进行角度补偿,最后利用陀螺仪加速度计等传感器实现惯性导航。

三、电路与程序设计
1 系统组成与原理框图



2 系统软件与流程


实物图(不是抠的很好)


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