基于ARM处理器的智能飞行探测器

摘 要 本项目为了实现硬件平台的四旋翼微型飞行器自主飞行控制，对飞行控制系统进行了初步设计，并且以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128为控制核心，给出了飞行控制系统的硬件设计，研究了设计中的关键技术。由于四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置，通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统；我们采用了低功耗的元器件和贴片封装，使飞行器具有体积小、重量轻、功耗低的优点；并且项目后期经过了多次室内试验，该硬件设计出来性能可靠，能满足飞行器的起飞、悬停、降落等飞行姿态的控制要求。

【关键词】ARM处理器 探测器 控制系统

1 概述

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。四旋翼直升机，在国外又称Quadrotor，4 rotors helicopter，Four-rotor，X4-flyer等等，是一种四个螺旋桨呈十字形交叉结构并且具有四个螺旋桨的飞行器，相对的四旋翼分两组，两组的旋转方向不同，具有相同的旋转方向。与传统的直升机不同，四旋翼直升机通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作（目前，也出现更加好的控制方式比改变电机转速更灵活方便，可以改变螺距的四旋翼飞行器）。在大学里，我们对四旋翼直升机感兴趣的大学生将数学算法运用到机器当中，创造出了极富智能的四旋翼直升机， 旋翼式飞行器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，以及飞行器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。其中，小型四旋翼飞行器是一种外形新颖，性能卓越的垂直起降旋翼式飞行器。对其的研究近年来日趋成熟，并为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。因此小型四旋翼飞行器控制系统具有很高的研究价值。

本设计以飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12XS128为控制核心，利用陀螺仪传感器（ENC-03）、加速度传感器（MMA7260）来检测飞行器空中姿态，并利用NRF905射频模块来传送控制数据。考虑到四旋翼飞行器飞行效率，控制系统使用无刷直流电机作为飞行器的执行机构，同时针对无刷直流电机设计了相应的电子调速器；控制策略采用的是经典的PID算法，姿态检测部分利用陀螺仪和加速度传感器配合并通过软件算法来实现。们的飞行器控制系统为达到有效控制欠驱动的四旋翼飞行器，建立一个以ARM处理器为核心，以AVR处理器为辅助的控制平台。针对四旋翼飞行器需要获得飞行器的姿态和位置信号控制要求，本文采用惯性测量装置和位置传感器分别对姿态和位置测量。论文从系统的实现原理、机械结构的设计、硬件系统设计、软件系统设计、视频传输系统等几方面详细的论述了四旋翼飞行器的制作过程和制作方法。并对四旋翼飞行器的研究现状和应用做了简单的阐述。最后通过建立的实验平台的综合实验，验证了本文提出的方法的可行性和有效性，另外四旋翼飞行器在设计的PID控制器基础上实现了稳定的飞行。

我们的飞行器控制系统为达到有效控制欠驱动的四旋翼飞行器，建立一个以ARM处理器为核心，以AVR处理器为辅助的控制平台。考虑到四旋翼飞行器飞行效率，本文针对无刷直流电机设计了相应的电子调速器，使用无刷直流电机作为飞行器的执行机构。同时，针对四旋翼飞行器需要获得飞行器的姿态和位置信号控制要求，本文采用惯性测量装置和位置传感器分别对姿态和位置测量。项目围绕飞行器控制系统开发展开，在ARM9飞行器控制板上根据四旋翼飞行器的结构形式，研究出空中姿态的控制方法，采用动力学分析飞行器原理。经系统调试及飞行测试，证明开发的算法可行及开发的控制系统有优秀的控制能力。通过C及C++编写针对四旋翼飞行器的飞行姿态控制的上位机算法及软件，来查看飞行器飞行状态，以便控制并多次调试控制，多次运行及模拟；飞行器可以快速飞行，飞行器可以达到我们预期的飞行距离，遥控控制飞行方向，在空中可以勘测飞行路线，甚至飞行过程中可以进行抓拍勘测及通过基于zigbee的数字通信，快速组网，甚至实现GPS及图像等数据的传输，通过中继扩大通信范围等后期发展功能。在项目后期的试飞中完成了项目预订的要求并体现出良好的隐蔽性及在复杂环境下完成任务的能力。

2 本次研究的特色

（1）采用arm处理器对视频进行采集，并且利用WIFI技术进行传输。最后在博创S3C2410开发箱上进行显示。

（2）具体说明了自主研制的四旋翼飞行器机械结构的设计方法和主要机械结构部件的安装。

（3）控制算法是四旋翼飞行器的灵魂部分，本文采用陀螺仪数据和加速度传感器数据相互融合的方式，尝试用简单的算法去解决四旋翼飞行器控制系统的控制问题。经过调试证明所采用的算法可以满足四旋翼飞行器控制系统的要求。

（4）根据四旋翼飞行器的结构形式，采用动力学原理分析了四旋翼飞行器的实现原理和空中姿态的控制方法。

3 结论

本次设计主要围绕自主研制的小型四旋翼飞行器控制系统展开。阐述了小型四旋翼飞行器实现原理分析，机械结构设计，硬件电路设计，软件算法设计，系统调试，视频传输等六大部分。通过实物的试飞调试表明，我们研制的小型四旋翼飞行器已达到了稳定飞行的状态，并且可以进行视频的采集。如前所叙述的那样，VTOL（垂直起降）系统a有着能够完成对其他飞行器来说非常困难的或者不可能执行的任务的特性（由于其良好的起飞降落性能以及能够完成各种高难度飞行姿态的能力）。但是四旋翼系统自身是一个不稳定系统，极小的干扰（如风力等）均可使其失去控制直致坠毁。本文中是通过多个传感器（陀螺仪）随时的测量机身的各个运动学参量，然后经过微型数字信号处理器（arm7）的处理运算来输出信号调整电机转速从而调整直升机的飞行姿态，使其保持平衡或者以某一姿态进行运动的。

经系统调试及飞行测试，证明开发的算法可行及开发的控制系统有优秀的控制能力。通过C及C++编写针对四旋翼飞行器的飞行姿态控制的上位机算法及软件，来查看飞行器飞行状态，以便控制并多次调试控制，多次运行及模拟；飞行器可以快速飞行，飞行器可以达到我们预期的飞行距离，遥控控制飞行方向，在空中可以勘测飞行路线，甚至飞行过程中可以进行抓拍勘测及通过基于zigbee的数字通信，快速组网，甚至实现GPS及图像等数据的传输，通过中继扩大通信范围等后期发展功能。在项目后期的试飞中完成了项目预订的要求并体现出良好的隐蔽性及在复杂环境下完成任务的能力。

（通讯作者：吴筱浏）

作者单位

北方民族大学 宁夏回族自治区银川市 750000