四旋翼飞行器光流模块设计

2020-09-02李蕊冰

现代计算机 2020年21期

李蕊冰

（西安石油大学电子工程学院，西安710000）

0 引言

随着多传感融合技术的不断发展[1]和图像处理技术的不断提高，四旋翼飞行器航拍技术广受人们欢迎，其中定点悬停技术已成为航拍中不可或缺的一部分，该技术要求四旋翼飞行器定点悬停在空间中某一指定点，并完成该点处的任务。现有采用GPS 定位的四旋翼飞行器具有全天候、高覆盖率等优点[2]，但其抗干扰性弱、隐蔽性差；光学动作捕捉系统定位精确度高，价格贵，适合在室内有摄像头或光照强度低的环境，且飞行器只能在摄像头捕捉到的范围内，十分受限[3]。光流模块是将光学追踪传感器PMW3901 和激光测距传感器VL53L0X 相互融合实现定点悬停技术，其精确性比GPS 定位高，价格低于光学动作捕捉系统，可以更好地服务于人类。

1 基本工作原理

（1）基本结构

四旋翼飞行器包括电调、电机、电池、桨叶、机架、飞行控制器（飞控）、遥控器等。

①电调：即电子调速器，用以控制电机的起停及转速。

②电机：安装在桨叶下边，为桨叶提供动力。

③电池：用于满足四轴的用电需求，为四轴飞行提供充足的电量。

④桨叶：为四轴提供飞行动力，有正反桨之分，顺时针旋转的桨叶为正桨。

⑤机架：是四旋翼飞行器的主干，承载了各个部分。

⑥遥控器：用于发送各种指令，控制四旋翼飞行器的飞行。

⑦飞控：不仅可以分析数据，求解姿态，还能够控制四旋翼飞行器的飞行状态。

（2）动力学模型

四旋翼飞行器是在飞控的作用下改变电机转速带动桨叶旋转，引起四轴转动。通过控制电机转动，桨叶产生不同的升力，从而控制飞行器的姿态和位置，这使得四轴在空中可以实现多种运动，如垂直升降、前后左右、顺逆时针运动等。

四旋翼飞行器的支架可分为“+”字模式和“X”模式[4]。“X”模式的支架控制响应速度快，视野开阔[5]。下面以常见的“X”模式四旋翼飞行器为例，简述几种飞行运动。如图1 所示。

图1

①当MI、M2、M3、M4 输出功率同时增加或减小，可以实现垂直升降；

②当M1 和M4 输出功率减小或不变，M2 和M3输出功率增大时，可以实现向前运动；

③当M1 和M2 输出功率减小或不变，M3 和M4输出功率增大时，可以实现向右运动；

④当M1 和M3 输出功率减小或不变，M2 和M4输出功率增大时，可以实现逆时针运动。

2 光流模块

2.1 硬件设计

四轴由以UART 方式通信的两个主控MCU 控制，NRF51822 主要是无线通信和电源管理，STM32F411 负责读取传感器、融合数据等。承接在STM32F411 主控芯片上的是以IIC 方式与四轴通讯的九轴传感器MPU9250 和气压传感器BMP280，该传感器可以测量四轴姿态数据和气压等。其硬件系统框架如图2所示。

图2

光学追踪传感器PMW3901 是原相公司研发的，可测量0.8 米以上的水平距离，工作电流小，电压易满足。1.8V 和3.0V 的LDO 分别提供给VDD 和VDDIO，SPI 接口连接SPI2，片选信号为PA8，LED1 为红外LED。

激光测距传感器VL53L0X 包含红外接收器和激光发射器，利用接收到光子的时间计算距离，测距更加精准。该传感器通过下拉电阻得到最佳电压，使用IIC通信接口，通信最大速率400K。图3 为光流模块与飞控的连接框图，图4 为光流模块的实物图。

图3 连接框图

图4 实物图

2.2 软件设计

NRF51822 主要负责无线通讯和电源管理，遥控器发送数据通过无线通信传至系统等进行解析，如果不是发送给NRF51822，则途经串口驱动转发给STM32F411，当STM32F411 收到数据包时，又原路返回给遥控器，因此，该传感器就搭建了通信桥梁。

STM32F411 是四旋翼飞行器的核心，主要负责传感器的读取，数据的融合等。当接收到遥控器发送的数据时，经过无线通信和数据接收包发送给四轴，待四轴解析完数据进行分类后转发给电机，电机带动桨叶旋转，完成相应的飞行动作。

光学追踪传感器PMW3901 与四轴采用SPI 的通信方式，其源码由底层SPI 驱动和光流数据通信组成。底层SPI 驱动配置有2 线全双工，2M 波特率和主机模式。SPI 的收发均使用DMA 的方式，接收DMA使用DMA1 数据流3，发送DMA 使用DMA1 数据流4。激光传感器VL53L0X 与四轴采用IIC 的通信方式，通信源码主要有底层IIC 驱动和激光测距应用。底层IIC 驱动配置2 个通用I/O（PB4/PB5）模拟IIC。每一部分都有其相应的程序代码，图5 为软件系统控制框图。