低成本的空中探测机器人设计

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摘 要 本文所述的空中探测系统将以四轴飞行器为载体，主要进行四轴飞行器姿态算法及无线控制研究，机械结构设计，无线图像传输、GPS定位技术的研究，从而实现飞行器自稳悬停、基于2.4G的无线视频传输、GPS定位等功能。

关键词 四旋翼飞行器；无线图传；姿态解算；GPS定位

中图分类号TP24 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）118-0079-02

本文的研究在民用领域可以用来抢险救灾、人员搜救，在地理测绘、矿场探测等方面可以发挥巨大作用；在军事领域，使用空中机器人可以突破地形地势对传统地面机器人的影响，对敌人军事设施的空间结构绘制，完成情报收集等工作，有着巨大的研究意义。

1 飞行原理

示意图

四轴飞行器四个旋翼对角线上的两个旋翼为一组，其中2号、4号使用正桨正转，1号、3号使用反桨反转，因而正转与反转产生的扭力相互抵消；1号、2号螺旋桨的升力与3号、4号螺旋桨的升力之差决定俯仰姿态；1号、4号螺旋桨的升力与2号、3号螺旋桨的升力之差决定横滚姿态。1号、3号螺旋桨升力与2号、4号螺旋桨的升力之差决定方向姿态。

2 机械设计

本文设计的飞行器载体主要设计成标准轴距为450的四旋翼飞行器，整个机体由四根20g铝方管和两片铝片制成的中心板构成。设计过程中，将控制电路板以及传感器尽可能的堆叠在机体的中心处，并在控制电路下方设计了必要的减震机构，用于减少来自电机的震动干扰，提高整体稳定性。推进系统由四个成正方形布置的无刷电机构成，电机对角线长度为450mm。每一对电机装有标准1045正反螺旋桨。在这种配置下，每个电机可提供最大约800克的推力，续航时间大约10min。

3 传感器与稳定性控制

四旋翼飞行器是一个高度非线性、不稳定的平台，它需要控制器来获取传感器测得的数据并通过适当的控制算法控制四个电机的旋转使其能够在空中平衡。本设计中采用MPU6050三轴加速度三轴陀螺仪芯片来采集飞行器姿态，并将陀螺仪采集的角速度和加速度计测得的欧拉角通过四元数算法融合得出飞行器的相对于地球姿态角，最后将这一结果送入比例-积分-微分控制器实现对四个电机的控制。

由于陀螺仪具有时间上的误差，其Z轴积分值得到的偏航角会随时间产生偏差，从而会使航向角产生偏差，故在设计中加入HMC5883L三轴地磁传感器，将地磁传感器测得相对地球磁场的偏角与陀螺仪积分得到的偏航角进行融合以减小偏航现象。

此外设计还加入精度高达0.1m的MS5611高精度气压传感器，用于在高空飞行时测量飞行器相对于初始位置的高度，可用于定高操作。

GPS采用GY-GPS6MV1模块，该模块采用U-BLOX NEO-6M模组，模块带有高性能无源陶瓷天线和后备电池，定位精度2.5m。模块同外部设备的通信接口采用串口方式，输出的GPS定位数据采用NMEA-0183协议，控制协议为UBX协议。

4 无刷电机控制器

无刷电机控制器采用四个Atmega8微控制器，9个NMOS和9个PMOS构成，能够持续提供最大40A电流驱动电机。

无刷电机控制器采用PWM通讯方式，具有低电压报警、失控保护等多种功能。其速度控制的反馈是通过测量电机运行时所产生的反电动势得到。每个电机能以500Hz的速率进行刷新，通过这种高刷新速率，无刷电机控制器所构成的简单线性系统可以用于四旋翼飞行器这种非线性系统的控制。

5 通讯系统

无线接收机是通过PWM输入，6个通道分别输入六路PWM信号，分别为俯仰通道、横滚通道、油门通道、方向通道以及两路功能模式通道。

主控制板通过蓝牙无线设备与上位机通讯，可以通过上位机查看飞控的实时数据，也可用行器的参数调试，通讯波特率可达到115200。无刷电机控制器则通过PWM形式与主控制器通讯。

传感器主要采用IIC总线通讯，MPU6050、HMC5883L、MS5611都使用同一个IIC总线，IIC总线仅由时钟线和数据线两根线组成，工作频率为100kHz，通过访问不同的器件地址来访问不同的传感器，从而获取传感器信息。

6 WIFI图像传输模块

WIFI模块以AR9331为主控芯片，通过向其刷入开源的Openwrt系统，使之一个运行Linux系统 。在此基础上运行Mjpg-Streamer程序实现无线视频传输和Ser2net程序实现串口数据传输。Mjpg-Streamer程序将USB摄像头采集的视频进行编码，通过WIFI模块返回给上位机，然后通过上位机就可以观看到视频。Ser2net软件能把来自WIFI信道的指令转到串口输出，实现与单片机的通信功能。

在实际测试中，在640*480的分辨率下，距离100m范围内，可实现15fps的传输速率，已经满足要求。

上位机使用VisualStudio2012编写C#上位机客户端。采用TCP/IP协议，利用Socket发送数据包到路由器实现数据传输。上位机由主窗口和控制按钮组成，主要用于显示回传视频。

7 结论

文中的飞行器经过了多个版本的制作，能够实现自稳悬停、GPS定点、气压定高、实时视频传输等功能。通过这种空中平台可以实现远距离的地质探测、空中监测以及对未知区域评估的功能。

参考文献

[1]孙骅.基于GPS与AHRS的四轴飞行器悬停算法研究[J].机械科学与技术，2013，04：481-487.

[2]江斌.小型四旋翼低空无人飞行器综合设计[D].浙江大学，2013.

[3]胡君连.基于Wifi的嵌入式无线视频监控系统设计[D].东华大学，2012.