四旋翼飞行器的控制远比固定翼复杂, 早期的技术水平无法实现其自主飞行控制。但因其起飞和降落所需空间较少, 在障碍物密集环境下的操控性较高, 以及姿态保持能力较强的优点, 在民用和军事领域都有广泛的应用前景。小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟, 并为自动控制, 先进传感器技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合提供了一个平台。
四旋翼飞行器的整体设计方案如图1所示。整个系统由动力设备、机载传感器、中控单元、无线通讯模块和图像采集模块组成。由产生升力的4个旋翼、支撑旋翼的机身主体框架和控制板组成。其中, 旋翼部分又包括4个直流无刷驱动电机、桨叶和连接件等;机体框架由2根铝合金构架十字交叉而成 (如图1) 。
本文提出的四旋翼飞行器系统采用自行设计的AVR Atmega128开发板作为飞行器的中央控制单元, 其为ATMEL公司的8位系列单片机中配置最高的一款, 应用极为广泛, 引脚丰富, 功能全面, 可以提供飞行器系统中需要的所有应用接口及总线。
飞行姿态控制单元采用美盛公司 (In venSense) 的ITG-3200型整合性三轴数字输出陀螺仪来实现。ITG-3200模块利用三个加速度传感器组成X-Y-Z的三维立体阵列, 分别对X、Y、Z即水平角度和垂直角度进行测量。高度控制单元采用美国BOSCH公司生产的气压传感器BMP085, 其绝对精度最低可以达到0.03hPa, BMP085可以通过对当前气压信号的检测来确定飞行器的相对高度, 进而实现飞行器在指定高度的悬停功能。
飞行器由四个旋翼分别控制, 动力单元采用新西达的2212-1400kV无刷电机, 该电机在输入三相电电压11V, 电流为18.9A时, 可达到每分钟9720r, 产生903g的推力。
飞行器采用了以n RF24L01为核心的无线传输模块, nRF24L01工作于2.4～2.5GHzISM频段内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块, 输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
飞行器控制单元的软件设计是在ICC AVR开发环境下通过C语言进行程序的编写, 主要完成硬件平台初始化、传感器信号采集处理、遥控信号接收与解码、电机控制、飞行姿态与飞行高度的计算以及图像信息的采集和传输等功能。
本文在进行了基于AVR Atmega128微控制系统的四旋翼飞行器创新实验系统设计。飞行器总体重量为900g, 最大长度为64cm, 最大载荷200g, 垂直起降稳定, 并可结合视频信号的采集传输与电机的实时控制, 通过上位机来对飞行器进行控制, 调整, 实现“悬停、前进、后退、左横飞、右横飞、上升、下降”等飞行姿态。该系统的搭建还可作为飞行平台, 搭载多样传感器, 适应不同领域需求。
摘要：提出了一种具有视频跟踪功能的四旋翼飞行器创新实验系统设计方案, 通过搭建小型四旋翼无人机飞行平台和人机界面, 使其能够将远程视频信号和传感器采集信号无线传输至上位机, 结合数字图像处理技术与基于AVR单片机的电机控制、数据处理等功能, 实现其自主飞行模式、预订高度悬停功能、飞行器的远程控制、视频信号处理和整体系统的无线通讯。
关键词：视频跟踪,四旋翼飞行器,无线传输,数字图像处理技术,AVR单片机
[1] 宿敬亚, 张瑞峰, 王新华, 等.基于滤噪微分器的四旋翼飞行器控制[D].北京:北京航空航天大学, 2009.
[2] 杨庆华, 宋召青, 时磊.四旋翼飞行器建模控制与仿真[D].山东:海军航空工程学院, 2009.
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