基于MWC开源飞控软件的航拍设计与实现

宋玉春，唐途亮，吴创彬，刘思广，宋鸿辉，谢国灏

（韶关学院物理与机电工程学院自动化系，韶关 512000）

基于MWC开源飞控软件的航拍设计与实现

宋玉春，唐途亮，吴创彬，刘思广，宋鸿辉，谢国灏

（韶关学院物理与机电工程学院自动化系，韶关 512000）

1　飞行器的工作原理

四轴飞行器是4个电机驱动的一种飞行器。它的修正原理跟直立小车以及倒立摆都有很多类似的地方，例如都是通过陀螺仪与加速度计采回数据拟合成角度数据，供给系统计算后得到电机的修正量再转化成电机输出。这里我们暂且将飞行器、小车、倒立摆称为对象，当对象处于平衡自稳状态时，假设有一个外力使其向前倾，系统得到角度数据后转化为电机输出，对象向哪边偏，电机便往哪边输出更多的占空比。就像我们用手托着一根木棒想使其平衡，当我们的眼睛看到木棒往哪边倒，大脑变回控制我们的手部动作使其像倾倒的地方运动，来回运动从而实现平衡。在这里木棒就是我们的对象，大脑就像处理数据的系统，手掌则为执行机构，眼睛就可以当做角度采集的传感器。

1.2四轴飞行器的飞行状态

四轴飞行器按照电机轴的布置方式可分为十字模式和X模式，以下飞行状态在X模式下讨论。

上升与下降：当四个电机同时增大或减少输出量时，飞行器便可上升或减少；

图1　保持木棒平衡的反馈控制

前后及左右：当相邻的两个电机的输出量大于另外两个电机时，飞行器便可实现前后左右运动，运动方向为电机输出较弱的一方；

旋转：当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动；

翻转：当对边的两个电机转速比另一边的两个电机大到一定程度时，飞行器变回翻转。

2　控制器硬件设计

四轴飞行器由飞控板、电池、电调、电机、螺旋桨、机架和遥控器等基本部件组成。而飞控板为核心。除此之外，本项目还将搭载一台摄像头以及用于摄像头稳定的云台进行图像采集。

图2　X模式的四轴飞行器

本项目采用MWC开源项目的飞控板，其成品如图3，主要有以下部分构成：主控芯片ATmega328P、加速度计和陀螺仪MPU6050、磁力计HMC5883L、气压计MS5611。

图3　MWC飞控板

MPU6050（图4）是InvenSense公司生产的芯片，其内部集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪 （即三轴角速度计），其数据通过I2C来读取相应地址获得相应数据，同时可以设置适当的低通滤波频率和陀螺仪采样率来调节加速度计和陀螺仪的灵敏度。

HMC5883L（图5）磁力计三轴磁阻传感器和ASIC都被封装在的LCC表面装配中，12-bit的ADC与低干扰AMR传感器能在±8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率，能让罗盘航向精度精确到1°～2°。低工作电压（2.16-33.6V）和低功耗（100μA）。内置驱动电路，带置位/复位和偏置驱动器用于消磁、自测和偏移补偿。同时使用I2C通讯手段。

图4　加速度传感器MPU6050模块原理图

图5　磁力计HMC5883L模块原理图

MS5611（图6）气压传感器的通讯方式是SPI和I2C总线接口的气压传感器，分辨率可达到10cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个低功耗的24位数模转换器。MS5611提供了24位数字压力值和温度值以及其他的操作模式，可以提高转换速率并优化电流消耗。通信协议简单，无需在设备内部寄存器编程。MS5611压力传感器本身尺寸较小可以集成在微型设备当中。

ATmega328P（图6）芯片是高性能，低功耗的AVR （R）8位微控制器，具备2个8位定时器/计数器，具有独立比较模式和预分频器；1个16位定时器/计数器具有独立预分频器、比较功能和捕捉模式；实时计数器有6个PWM通道且有独立振荡器。

图6　气压计MS5611模块原理图

图7　ATmege328P芯片控制原理图

3　实时拍摄系统

为了实现远程即时监控，本文设计了一个四轴航模专用的视频采集、图像压缩和无线传输系统。系统主要分为空中系统和地面系统两部分。空中系统要求采集装置安装在四轴航模机身上，完成录像与以5.8GHz无线技术完成图像的无线传输。地面系统在地面上利用液晶显示屏为主体，配合无线数据接受装置与A/D，完成视频的接受、显示工作。四轴航模可由地面人员遥控飞行，整个系统运行时可将航模飞行地区的视频信号实时传输给地面接收，受地面条件影响较小，可以无风险地监视人类无法进入或者难以进入的地方。其主要的工作原理如图8。

同时，同时出于对于航拍稳定性的要求，本设计将采取将摄像头搭载在云台系统中的方式保证航拍图像的稳定。

云台系统能够在飞行过程中削减飞行抖动对拍摄系统采集图像稳定的影响。他能在系统发生倾斜时迅速做出分析处理保证拍摄系统的稳定。其基本原理是通过加速度传感器采集云台当前的状态之后，跟标准状态进行比较之后得到偏差，将此偏差通过云台系统进行PID运算之后得到对应的修正量，再把修正量输出到电机进行修正。

图8　远程即时监控原理

若需要把视频接收并用PC处理的话，便需要把视频信号数字化，无线接收模块输出的为PAL格式的模拟视频信号，720×625的分辨率。视频简单地说就是活动图像。模拟视频信号解码并量化成连续的数字视频流后所包含的一些信号元素：模拟视频信号每秒25帧，每帧周期40ms，而每帧又分为2场，每场20ms，先输出的是奇场，然后是偶场，奇场的行号为第l至312．5行，偶场的行号为第312.5至625行，其中，奇场的第23.5至310行包含有效的视频信号，偶场的第336至622．5行包含有效的视频信号．把模拟视频信号解码为ⅥⅣ分量后，分别进行A/D量化样，转换为数字视频流，时间上也应该是按上面的顺序依次输出。

图9　参数调试界面GUI

主要的视频压缩算法包括：M-JPEG、Mpeg、H.264、Wavelet（小波压缩）、JPEG2000、AVS。

H.264是一种高性能的视频编解码技术，视频信号数字化后的数据量是惊人得，为了需要对图像进行压缩处理，可以尝试采用H.264标准进行压缩，更好地实现系统的实时性。

4　调试

飞行器在安装完毕之后需要经过调试之后才可试飞。调试项目包括接收机与遥控器的对码、电调油门行程校准、MWC飞控板的各项参数配置。飞控板的GUI界面如下，通过调整合适的参数保证飞行器在飞行过程的稳定。

通过GUI调整好飞行器各项参数后，飞行能够进行稳定的飞行。本项目小组在飞行器能够稳定飞行的基础上搭载云台及摄像头，在编写适当的程序之后通过5.8GHz的无线传输技术进行图像的即时传输。

［1］刘焕晔.小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计［D］.上海：上海交通大学，2011.

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Four Axis Aircraft；Aerial Photography；MWC；Open Source

Design and Implementation of Aerial Photography on Open Source and Aircraft Control MWC Software

SONG Yu-chun，TANG Tu-liang，WU Chuang-bin，LIU Si-guang，SONG Hong-hui，XIE Guo-hao
（Department of Physics and Electrical Engineering，Shaoguan College of Automation，Shaoguan 512005）

1007-1423（2015）36-0054-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.013

宋玉春（1973-），男，辽宁凌源人，硕士研究生，副教授，研究方向为机器人技术、工业控制

唐途亮（1994-），男，广东佛山人，韶关学院自动化系学生

吴创彬（1994-），男，广东惠来人，韶关学院自动化系学生

刘思广（1994-），男，广东汕尾人，韶关学院自动化系学生

宋鸿辉（1996-），男，广东湛江人，韶关学院自动化系学生

谢国灏（1994-），男，广东湛江人，韶关学院自动化系学生

2015-11-03

2015-12-03

四轴飞行器可用于运输货物、拍摄、飞行研究、玩具等众多领域，也是当前研究的一个热门课题。介绍四轴飞行器的飞行原理、基本控制思路、调试、操纵，和低空拍摄的实现。然后以MWC开源飞控为设计核心，设计一套四轴飞行器的控制系统，并通过外围模块编写适当的程序实现飞行器航拍的即时传输。由于四轴飞行器具有高度灵活性，所以使用它做载具可以代替人类轻易跨越复杂的地形进行航拍、实时采集信息。

四轴飞行器；航拍；MWC；开源

韶关学院大学生创新创业训练计划立项项目（No.201510576009）

The application of four axis aircraft to transportation，aerial photography，flight research，toy and in many other fields，is also a topical issue in the currently research.Discusses the flight principle，essential control conception，debugging and low-altitude photography of four axis aircraft.Designs a control system of four axis aircraft，which is based on the opened source and flight control of MWC and the instant transmission of aerial photography is programmed with peripheral module.With high flexibility，four axis aircraft takes place of human being used as a vehicle for aerial photography and information acquisition in the complex topography.