大学生光电设计大赛理论方案报告.docx

长春理工大学第六届光电设计大赛理论方案报告编 号：参赛题目：基于光电目标识别的空投救援无人飞行器参赛队伍名称：乐恩竞技者所在学校：长春理工大学队长姓名：联 系 方 式 ：一、 参赛题目：基于光电目标识别的空投救援无人飞行器二、具体方案无人飞行器采用四旋翼飞行器，系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、超声波测距模块和CCD图像处理模块等七部分组成，采用十字型飞行模式。整套系统运行模式流程主要是：首先飞行器装载启动，自动定高沿着场地中间白色界线向前匀速飞行。飞行至场地底部边线后，切换飞行模式，CCD相机对目标进行识别，然后将所载的乒乓球投到相应的盒子里。最后原路返航至起点进行下一次装载投掷。2.1控制系统的选择方案主控板使用stm32。Stm32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。2.2飞行姿态控制方案十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。 鉴于我们是初次设计，所以选择了十字飞行方式。2.3角度测量模块的方案MPU6050三轴陀螺仪。MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。2.4 CCD相机图像识别的方案使用彩色摄像头，由于红线和地面颜色不同，通过颜色的不同进行红线提取。基本思路和第一种有相似之处，但是效果更好，但是处理的数据量较第一种方案要多，采集速度需要提高，因此使用DMA快速读取，这样不占据CPU时间，提高效率。同时降低图像大小，采用QQVGA（120*160）图像格式，这样能够减少图像处理的时间，提高效率。三、技术路线及可行性分析3.1系统的整体结构图3.2 PID控制算法分析由于四旋翼飞行器由四路电机，带动两对反向螺旋桨来产生推力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性，及不同动作时各个电机转速的比例关系，是飞行器按照期望姿态飞行的关键。所以这里我们采用到pid控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。比例积分微分被控对象r(t)e(t)u(t)C(t)_Pid控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对，如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而达到调整的目的。比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显，飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差，往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题。所以通过pid控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定。四、拟解决的关键性问题1. 在保证安全的条件下尽量的提高车四轴飞行器的速度。2. 提出更高效的算法，使飞行器能更加稳定而快速行驶。3. CCD相机对采集图像的数据处理的算法以及反馈给主控芯片的速度。五、特色与创新点本方案的特色是提出了使用彩色摄像头，通过绿色地面与外界白色分量的不同使用特殊的算法，将白线信息从的图像中提取出来。控制飞行路线。以及彩色摄像头对目标彩色盒子的采集识别。六、时间与进度安排时间度安排2016.42016.5.1查阅相关书籍和文献资料，了解研究背景，明确研究内容，了解研究所需学习的理论基础知识和掌握设计中需要应用的软件操作.整套系统的各模块硬件设计，以及组装。2016.5.12016.6对整个系统的各个模块进行编程及其模拟、实际测试。七、经费预算科目经费金额（单位：元