1-電力巡線無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著國家電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路的數(shù)量逐年增加，傳統(tǒng)的人工線路檢查方法逐漸被無機(jī)械的電力線路檢查方法所取代。固定翼無人機(jī)作為一種無人機(jī)，被廣泛用于電力線檢查，提高了線路檢查的效率和安全性。系統(tǒng)工程設(shè)計應(yīng)用理論角度深入出發(fā)，以小型固定翼無人無人機(jī)的傳動模型設(shè)計作為主要研究實(shí)驗(yàn)平臺，在國內(nèi)外微小型機(jī)和固定翼自動無人機(jī)的自動飛行高空控制傳動系統(tǒng)工程設(shè)計應(yīng)用理論研究總結(jié)基礎(chǔ)上，選擇了一種便宜的無人飛行高空控制傳動系統(tǒng)的工程設(shè)計應(yīng)用思路。首先，設(shè)計了一套關(guān)于無人機(jī)飛行自動控制軟件系統(tǒng)的技術(shù)總體方案，并詳細(xì)設(shè)計規(guī)劃了該控制系統(tǒng)的整體硬件。無人機(jī)的整體硬件監(jiān)控系統(tǒng)通常認(rèn)為可以大致劃分成作為兩大組成部分:機(jī)載高空飛行檢測監(jiān)控控制系統(tǒng)和機(jī)載地面飛行檢測監(jiān)控系統(tǒng)。無人機(jī)自動控制處理系統(tǒng)主要是基于STM32F103VE微控制器，集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS模塊、遙控解碼模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊、數(shù)傳電臺和電源模塊；地面測控系統(tǒng)包括測控計算機(jī)、數(shù)傳電臺、地面站軟件、發(fā)射機(jī)等。它被廣泛認(rèn)為已經(jīng)是目前實(shí)現(xiàn)無人機(jī)上對飛行物體狀態(tài)精密準(zhǔn)確自動檢測的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?？紤]到大幅度驅(qū)動濾波條件工作情況下剛體對運(yùn)動加速度的驅(qū)動作用，采取新的綜合驅(qū)動濾波計算方法大大提高了姿態(tài)驅(qū)動計算的測量精度和計算準(zhǔn)確性，并對其性能進(jìn)行了測試驗(yàn)證。通過分析引入了GPS的位置速度及其它的位置速度測量等相關(guān)信息，分別為此器件設(shè)計了它的速度，位置卡爾曼濾波器。然后，建立了一個利用無人機(jī)觀測無人機(jī)航行動態(tài)和力學(xué)的基本模型。在此控制模型的基礎(chǔ)理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)計巡線無人機(jī)的軟件與硬件。并且為此設(shè)計了其應(yīng)用相應(yīng)的控制管理規(guī)則。之后，進(jìn)行了多次測試驗(yàn)證，獲得了設(shè)計過程中的相關(guān)控制管理規(guī)則。最后，對無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研究。關(guān)鍵詞：無人機(jī)；自動導(dǎo)航；卡爾曼濾波器；飛行自動控制目錄TOC\o"1-4"\h\z\u13514摘要 I8143Abstract II15021前言 113551.1課題的研究背景與意義 1157201.2課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1205621.3課題的主要研究內(nèi)容 226882巡線無人機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 4217952.1控制系統(tǒng)的設(shè)計要求 4214762.2控制系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺 474452.3巡線無人機(jī)總體方案設(shè)計 532872.4巡線無人機(jī)硬件設(shè)計 6185582.4.1主控制器電路設(shè)計 6281472.4.1.1晶體振蕩器電路 7186282.4.1.2復(fù)位電路 765112.4.1.3電源電路 8317512.5加速度計 8119422.6陀螺儀 10161302.7GPS 12120152.8舵機(jī)控制電路的設(shè)計 15284422.9巡線攝像頭電路設(shè)計 17261042.10電源電路設(shè)計 17260303巡線無人機(jī)軟件設(shè)計 19231153.1系統(tǒng)主程序設(shè)計 19325533.2GPS程序設(shè)計 19119403.3陀螺儀程序設(shè)計 2149653.4電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計 22254023.5數(shù)傳程序設(shè)計 23128943.6巡線程序設(shè)計 2477374巡線無人機(jī)的運(yùn)行試驗(yàn) 26202965結(jié)論 287403參考文獻(xiàn) 29 1前言1.1課題的研究背景與意義UAV(UnmannedAirVehicle)是無人飛行器的縮寫，是一種主要由無線遙控或自行提供程序控制的無人飛行器。與其他傳統(tǒng)的大型有人控制機(jī)設(shè)備相比，無人機(jī)主要優(yōu)勢是由于其機(jī)身體積小，成本低，操作靈活方便，安全性高等幾大優(yōu)點(diǎn)，使其成為21世紀(jì)各國發(fā)展的主要領(lǐng)域之一。由于無人機(jī)無需人為控制，因此無人機(jī)上沒有駕駛艙，但是為了確保它可以安全飛行并成功完成各種復(fù)雜任務(wù)，無人機(jī)機(jī)身上配備了自動駕駛儀，導(dǎo)航裝置和其他設(shè)施可以通過控制遠(yuǎn)程設(shè)備來控制導(dǎo)航和數(shù)據(jù)傳輸。無人無人機(jī)的最早應(yīng)用是在1960年代的越南戰(zhàn)爭中。美國利用它進(jìn)行了一系列戰(zhàn)略軍事部署。它的主要前身是一種無人駕駛的遙控?zé)o人機(jī)和一種遙控飛行器，是在第二次世界大戰(zhàn)期間設(shè)計和發(fā)明的。隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)從軍事監(jiān)視，干擾雷達(dá)等設(shè)備發(fā)展到民用電力線檢查，航空攝影，農(nóng)業(yè)擴(kuò)散，地面監(jiān)視等領(lǐng)域，極大地簡化了人們的生活。日常生活提高了生產(chǎn)效率。隨著國家能源工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對過渡線和塔的檢查和維護(hù)的要求越來越高。傳統(tǒng)的手動線檢查方法不僅成本高昂且效率低下，而且還適用于諸如陡峭山脈等特殊地形。檢查工作很難順利進(jìn)行，存在重大人員傷亡風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，到2012年，國家規(guī)劃建設(shè)的交流輸電壓等級為110kv以上的交流輸電線路的總長度將會超過71萬公里。面對我們國家電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，手動化的線路檢測變得愈來愈困難，并且越來愈多地滿足它們的要求。隨著現(xiàn)代無人機(jī)的迅猛興起和進(jìn)步，人們開始將現(xiàn)代無人機(jī)應(yīng)用于對電力導(dǎo)線檢測，這不僅解決了質(zhì)量和效率問題，而且也為將來我們國家電網(wǎng)的快速推進(jìn)和發(fā)展奠定了一些重要的技術(shù)依據(jù)。人們通常都可以通過遙控或者自動化地控制無人機(jī)程序來執(zhí)行檢查的路線，不僅能夠避免嚴(yán)重的人員和事故，還能夠在不同的復(fù)雜環(huán)境情況下按照所設(shè)定的目標(biāo)和時間來執(zhí)行檢查任務(wù)，從而大大地提高了效率。這極大地加速了我們的電網(wǎng)企業(yè)。隨著我國無人機(jī)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，該國也放寬了民用無人機(jī)的使用限額，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)在我國的應(yīng)用。特別是國內(nèi)外各類無人機(jī)生產(chǎn)和制造企業(yè)正在積極開發(fā)各類多功能的無人機(jī)，以便于完成各類復(fù)雜的任務(wù)。多功能無人機(jī)的出現(xiàn)，引領(lǐng)了無人機(jī)行業(yè)發(fā)展的全球趨勢。國家電網(wǎng)公司還致力于研究電力線檢查操作中的無人機(jī)。由于這種無人機(jī)本身具有靈活的運(yùn)動性能，它使用戶可以全方位地觀察輸電線路，鐵塔和其他的電力設(shè)備，并及時發(fā)現(xiàn)損壞或者破碎。輸電線路發(fā)生泄漏，從而減少了功率損耗。作為新型電力線路檢測方法，無人機(jī)電力線路檢測的應(yīng)用及發(fā)展前景廣闊。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的許多國家都在積極地發(fā)展自己的無人機(jī)技術(shù)，特別要求美國能夠在無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用上更加先進(jìn)得多。我國還繼續(xù)向科學(xué)院投入了很多的人力，物力和資金來進(jìn)行了研究與建設(shè)。1.2課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀目前，沒有電源的電力線檢查的應(yīng)用需要許多技術(shù)的支持，例如定位和導(dǎo)航，自動線路技術(shù)和塔架識別，飛行控制技術(shù)，圖像處理和無線通信.最早的無人機(jī)時代就是在歐洲等發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)和制造的。這些國家通過采取自己先進(jìn)的科學(xué)和技術(shù)，在生產(chǎn)線檢測領(lǐng)域中處于遙遠(yuǎn)領(lǐng)先地位。20世紀(jì)30年代以來，我國無人機(jī)的發(fā)展和使用已有超過90年的歷史。經(jīng)歷了20世紀(jì)漫長的萌芽期和醞釀期之后，無人機(jī)在21世紀(jì)初迎來高速成長期，并逐步從軍用領(lǐng)域擴(kuò)展到了民用領(lǐng)域。如今，無人機(jī)目前的發(fā)展水平可以達(dá)到自行作業(yè)，因具備體積小，使用方便等特點(diǎn)，從而達(dá)到最大限度的穿越高山、河流，通過巡線系統(tǒng)對通信線路進(jìn)行高效、靈便、快速的偵察、搜索。美國目前已經(jīng)認(rèn)為是當(dāng)今世界上已經(jīng)擁有最先進(jìn)的太空無人機(jī)研制技術(shù)之一，它先后創(chuàng)造了許多類型性能卓越的多功能自動無人機(jī)，并將其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)和人類日常生活中。它最初是由克諾斯羅普格魯曼公司自行開發(fā)研制的無人無人機(jī)。這種新型無人機(jī)高空導(dǎo)航自動控制探測系統(tǒng)中還具有一種新型高分辨率的高空合成孔徑雷達(dá)(SAR)，可以直接實(shí)現(xiàn)對大氣霧和污水砂石等進(jìn)行穿透式、高分辨率的一種合成式高空大氣動態(tài)孔徑探測雷達(dá)。2018年10月份，俄羅斯的生產(chǎn)企業(yè)按照國防部的訂貨要求研發(fā)了有效荷載450千克的“小馬”作戰(zhàn)無人機(jī)，其空中飛行時間為30小時日本關(guān)西電力公司致力于開發(fā)新型無人機(jī)檢測技術(shù)并使其成功。它開發(fā)的無人機(jī)檢查系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動化地檢測各種電氣裝置的故障及顯示三維畫面，該系統(tǒng)能夠在線路檢查的過程中實(shí)時地自動辨認(rèn)腐蝕的線路，腐蝕過多塔式建筑物，損壞過多的水泥桿和其他已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕的設(shè)備，并且通過使用三維影像技術(shù)能夠在下面清楚地顯示出來的是人造建筑物或者是樹木和其他輸電線路。距離這種技術(shù)的成功研究開發(fā)極大地提高了對無人機(jī)接線的檢測效率。西班牙馬德里理工大學(xué)已經(jīng)成功地開發(fā)出了一種全新的無人機(jī)引擎導(dǎo)航和控制系統(tǒng)。該導(dǎo)航系統(tǒng)基于先進(jìn)的計算機(jī)視覺處理技術(shù)，利用GPS導(dǎo)航定位技術(shù)和圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不需要電力線傳感器檢查的全程自主引導(dǎo)。在飛行導(dǎo)航中，無人機(jī)會使用一個帶有專門標(biāo)記的結(jié)構(gòu)體來作為其參考地點(diǎn)，并且它們還能夠自動檢查到機(jī)身上相對于其他參考地點(diǎn)物體的移動位置及其加快速度。在進(jìn)行飛行中檢查傳輸線，塔架和其他裝備時，導(dǎo)航系統(tǒng)會使用圖像處理技術(shù)手段來正確地監(jiān)控傳輸線，從而使飛行員可以避免遇到障礙物。在此基礎(chǔ)上，考慮到無人機(jī)的安全性，對著陸技術(shù)進(jìn)行了研究。當(dāng)一架無人機(jī)因?yàn)閯恿ο魅醵牧诉^多燃料時，它們就會自動地越過障礙物，以便于找到一個開放而安全的著陸場所。這種研究性技術(shù)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于模擬和測試中，但是尚未在投入現(xiàn)場和實(shí)際運(yùn)行之前進(jìn)一步研究和探索。澳大利亞通信技術(shù)研究中心研究開發(fā)了一種小型的燃?xì)馄啓C(jī)，可以廣泛地用于對無人機(jī)的進(jìn)行電力導(dǎo)線檢查。1.3課題的主要研究內(nèi)容本文主要是針對巡線導(dǎo)航無人機(jī)的專用飛行軌道自動化安全控制管理系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計并對此進(jìn)行技術(shù)研制。以無人航模器和固定翼無人無人機(jī)系統(tǒng)為主要技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用平臺，完成了一套新型嵌入式無人飛行設(shè)備自動化導(dǎo)航控制管理系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試，在此基礎(chǔ)上還重新設(shè)計了一套捷聯(lián)特的導(dǎo)航控制算法，重點(diǎn)工作是針對新型無人機(jī)的不同飛行特征分別進(jìn)行了各種飛行自動控制系統(tǒng)規(guī)則的研究設(shè)計本論文一共分為五章，各部分主要內(nèi)容如下：第一章:簡要重點(diǎn)介紹整篇論文中所需要選擇的研究領(lǐng)域和相關(guān)課程的主要發(fā)展歷史背景和技術(shù)重要性，敘述國內(nèi)外目前使用現(xiàn)有的一些商用無人機(jī)和商用監(jiān)控管理系統(tǒng);然后詳細(xì)描述了基于STM32單片機(jī)的商用監(jiān)控?zé)o人機(jī)專業(yè)飛行和控制管理系統(tǒng)所發(fā)展需要的基本功能和應(yīng)用技術(shù)及其優(yōu)勢;最后再次重點(diǎn)引入了本文每一個章節(jié)的主要重點(diǎn)研究課題內(nèi)容和應(yīng)用方法。第二章:詳盡地詳細(xì)介紹了目前有關(guān)自動無人機(jī)應(yīng)用航空航天飛行中的自動化安全控制管理系統(tǒng)的技術(shù)相關(guān)的軟硬件裝備設(shè)計及其開發(fā)及安裝工作。它由機(jī)載檢測飛控控制單元直接組成，由一個地面高空檢測飛控單元直接組成。其中機(jī)載旅客飛控軟件系統(tǒng)以STM32微控制器軟件模塊為飛控系統(tǒng)核心，包括飛控數(shù)據(jù)信號采集控制系統(tǒng)、GPS控制模塊、遙控視頻解碼控制模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制模塊、數(shù)傳廣播電臺測控模塊、電源模塊等;其中地面旅客測控軟件系統(tǒng)主要由機(jī)載測控系統(tǒng)計算機(jī)、數(shù)傳式廣播電臺測控模塊、地面旅客車站測控軟件、發(fā)射機(jī)軟件組成。穩(wěn)健可靠的軟軟硬件服務(wù)體系建設(shè)是直接決定我國飛控控制系統(tǒng)軟件開發(fā)工作成敗的重要決定因素。第三章:精確的運(yùn)動姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航信息，這些都是利用智能駕駛技術(shù)幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主駕駛和飛行的技術(shù)基礎(chǔ)，本章主要針對三軸型微機(jī)械陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁強(qiáng)計及GPS等技術(shù)進(jìn)行研究。由于這種陀螺具備常值漂移、溫度漂移等誤差特點(diǎn)，使得它只能夠具備短時間內(nèi)的準(zhǔn)確姿態(tài)和測量功能，但在動態(tài)的環(huán)境下運(yùn)行性能相對較好;同時加速度計、磁強(qiáng)計等的誤差漂移性能較小，但在動態(tài)條件下漂移性能相對較差;本章主要通過一種采用多功能傳感器的信息融合算法將重力場向量、磁場向量與陀螺式數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合，同時也引入了GPS的運(yùn)行速度、位置信息，得到了長一段時間穩(wěn)定、準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。第四章:主要內(nèi)容是重點(diǎn)描述了基于小型無人機(jī)的飛行數(shù)學(xué)運(yùn)動模型所應(yīng)用需要的人機(jī)飛行運(yùn)動控制原理規(guī)律的基礎(chǔ)設(shè)計。本章主要細(xì)地重點(diǎn)論述了在無人機(jī)自主自動駕駛樣機(jī)飛行中，直線式方法自主自動駕駛樣機(jī)飛行和運(yùn)用橢圓形方式自主自動駕駛樣機(jī)飛行的各種無人機(jī)制導(dǎo)運(yùn)動控制方法，設(shè)計了任何一套無人機(jī)相應(yīng)的航跡控制律，并對樣機(jī)比例無人機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。驗(yàn)證了美國飛行自動控制導(dǎo)航系統(tǒng)和德國捷聯(lián)自動導(dǎo)航系統(tǒng)算法在技術(shù)上的綜合可靠性、實(shí)用性等程度。第五章:主要對本文在相關(guān)領(lǐng)域的研究和工作情況進(jìn)行總結(jié)，闡述了自己在課題研究中取得的成就與不足，并對自己今后的研究工作方向進(jìn)行了陳述。2巡線無人機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1控制系統(tǒng)的設(shè)計要求巡線式無人機(jī)系統(tǒng)是一種典型的非線性、多通道耦合、多輸入和多產(chǎn)品的輸出復(fù)雜系統(tǒng)。因此為了充分滿足各種飛行任務(wù)的需求，對于飛行控制系統(tǒng)也提出了更高的技術(shù)要求，所以飛行控制系統(tǒng)在技術(shù)上和性能方面的優(yōu)勢也就是無人機(jī)能否完全滿足其需要和成功地投入使用的重要關(guān)鍵。無人機(jī)的飛行自動化控制系統(tǒng)的基本技術(shù)要求有以下幾點(diǎn):（1）姿態(tài)航向保持控制將姿態(tài)閉環(huán)控制和角速度阻尼添加到無人機(jī)俯仰，橫搖和航向的三個軸上，以改善阻尼特性和穩(wěn)定性，從而使無人機(jī)在飛行范圍內(nèi)可控。（2）高度控制通過對無人機(jī)進(jìn)行高度封閉和自動化控制，可以實(shí)現(xiàn)對空間進(jìn)行高度維護(hù)和控制。（3）自主飛行控制利用導(dǎo)航系統(tǒng)所能夠提供的位置、速度等導(dǎo)航數(shù)據(jù)來完成一個預(yù)先設(shè)置或者是實(shí)時執(zhí)行給定的目標(biāo)航跡飛行，其中主要有兩種方式:一是直線型自主飛行控制，二是圓周型自主飛行控制。（4）應(yīng)急控制在無人機(jī)技術(shù)裝備研制初期，控制制動系統(tǒng)尚未完全建立和不斷完善，有時候就是很可能還會出現(xiàn)一次大型無人機(jī)制動失控等緊急情況，因而我們有必要通過無人機(jī)切換一種手控制動模式系統(tǒng)來對其無人機(jī)進(jìn)行緊急制動控制。此外，在滿足基本要求下，還應(yīng)具備如下要求：（1）在滿足性能要求的情況下，應(yīng)盡可能的降低其制造及選型成本。（2）軟件系統(tǒng)應(yīng)該簡化每一個模塊，盡可能地做到軟件的結(jié)構(gòu)簡單和系統(tǒng)的小型化。（3）充分考慮到飛行控制系統(tǒng)所處的工作條件，保證它們能夠在可靠和持續(xù)地進(jìn)行工作。（4）考慮硬件和軟件的各種延伸的方向。2.2控制系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺選擇了一種航模式的固定翼無人機(jī)來作為巡線無人機(jī)測試平臺，為了使其能夠充分滿足飛行測試的實(shí)際需要，我們就此次測試中對其進(jìn)行了以下的要求:（1）具有較高的可靠性。（2）產(chǎn)品具有良好的安全性和可維修性，配件的選擇及更換操作方便，并且易于進(jìn)行外場測量和試驗(yàn)。（3）使用者具有相當(dāng)穩(wěn)定的續(xù)航性，可以提升外場飛行測試的效率。（4）本產(chǎn)品應(yīng)該具有一定的負(fù)荷安裝空間，便于飛控、蓄電池等器件的安裝。本文無人機(jī)所采用的飛行平臺是四軸固定旋翼為設(shè)計平臺進(jìn)行試驗(yàn)如圖2-1所示。圖2-1四軸固定旋翼為設(shè)計平臺2.3巡線無人機(jī)總體方案設(shè)計飛行自動控制信息系統(tǒng)管理是一種一般泛指以自動實(shí)現(xiàn)航空飛行自動控制的通用計算機(jī)系統(tǒng)為主要技術(shù)控制核心，集成機(jī)載舵機(jī)、機(jī)載自動傳感器、配電以及對機(jī)場地面的自動測控，形成一個由機(jī)場資源統(tǒng)一分配進(jìn)行自動調(diào)度和合理分配，各個系統(tǒng)組件相互輔助聯(lián)合進(jìn)行協(xié)同工作的大型數(shù)字化航空飛行自動控制管理系統(tǒng)。本文主要根據(jù)無人機(jī)數(shù)字化、小型化、低技術(shù)成本的設(shè)計理念，對微小型通用無人機(jī)的高速飛行時全自動控制管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。為充分能夠滿足對民用無人機(jī)控制飛行動態(tài)狀況的分析測量、控制飛行規(guī)律的解釋計算等重要任務(wù)控制需要，飛行狀態(tài)控制管理系統(tǒng)以微型的機(jī)械控制傳感器和新的GPS飛控模塊系統(tǒng)作為主要技術(shù)控制基礎(chǔ)，以STM32等微控制器模塊作為主要技術(shù)控制核心的集成飛控控制計算機(jī)，同時也為了充分實(shí)現(xiàn)集成飛控控制計算機(jī)的功能小型化，將其中的機(jī)械傳感器、數(shù)據(jù)包的采集控制系統(tǒng)、電源模塊等都進(jìn)行設(shè)計安裝在了一塊塊的主控控制電路板上，減少了集成飛控控制系統(tǒng)所需要占用的系統(tǒng)空間。圖2-2整體框圖2.4巡線無人機(jī)硬件設(shè)計2.4.1主控制器電路設(shè)計飛行器中的飛行管理和控制計算機(jī)技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)飛行器自動化的重要技術(shù)基礎(chǔ)。它負(fù)責(zé)重要任務(wù)，例如收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，估計姿態(tài)，計算控制律和管理飛行工作。隨著我國航空武器飛行質(zhì)量控制儀器系統(tǒng)主體功能的進(jìn)一步擴(kuò)大增加，飛行范圍的不斷擴(kuò)大以及飛行任務(wù)的逐漸復(fù)雜性，需要基于先進(jìn)的全數(shù)字技術(shù)來設(shè)計飛行控制計算機(jī)。在無人機(jī)工程實(shí)踐中，具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性的基于數(shù)字計算機(jī)的飛行控制計算機(jī)被廣泛使用。對于數(shù)字飛行自動控制系統(tǒng)計算機(jī)的機(jī)型選擇，按照其高速小型化、低速高功耗的設(shè)計原則，應(yīng)該充分綜合考慮到其本身具有更快和高速度的數(shù)據(jù)計算處理能力，以便于滿足各種復(fù)雜的大型數(shù)字飛行計算和特殊任務(wù)飛行管理等信息技術(shù)的應(yīng)用需要。同時，還根據(jù)實(shí)際需要重新設(shè)計開發(fā)出一種具有豐富的射頻數(shù)字和無線模擬外部驅(qū)動裝置控制接口，以便于滿足以后新型飛控控制系統(tǒng)及以后更廣泛的功能擴(kuò)充。鑒于這種考慮涉及到上述方法所涉可能覆蓋到的區(qū)域，本文將分別選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VE兩個微控制器系統(tǒng)作為客機(jī)飛行器的監(jiān)測處理計算機(jī)?；谛碌腃ortex-M3內(nèi)核的整個微控制器系統(tǒng)采用了最新的新的ARM系列微控制器。它為對于MCU用戶提供了一個廉價的工作平臺，減少了系統(tǒng)導(dǎo)線引腳更換次數(shù)，降低系統(tǒng)的工作功耗，并為對于MCU的高需求者用戶提供了卓越的電子計算系統(tǒng)性能。以及先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)集中斷電和響應(yīng)系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)。內(nèi)置的一個功能豐富的實(shí)時矢量射頻中斷信號控制器系統(tǒng)可以對具有多達(dá)43個實(shí)時可完全屏蔽的矢量中斷信號通道和16個其他優(yōu)先級中斷信號通道進(jìn)行實(shí)時處理，從而可以使得每個微控制器本身具備了靈活的中斷干擾測量管理控制功能。STM32103RCT6微控制器該機(jī)可以被用作一個單微處理器，該機(jī)的微控制器通常采用32位的單微處理器。其軟件核心系統(tǒng)設(shè)計方案采用了Cortex-M3，并行總線設(shè)計架構(gòu)，嵌套式的抗破壞性強(qiáng)的矢量數(shù)據(jù)控制處理單元，調(diào)試管理系統(tǒng)及相關(guān)公用數(shù)據(jù)存儲器。嵌套式的向量信號中斷和微控制器(NVIC)是它是微的Cortex-M3處理器的一個重要核心組成部分。它給基于Cortex-M3的整個微控制器系統(tǒng)提供了一個符合標(biāo)準(zhǔn)的抗干擾控制系統(tǒng)管理架構(gòu)和降低干擾系統(tǒng)響應(yīng)的最佳有效性。超過240種資源可以提供指定的入場休息時間，并且可以為每個原始的打given睡分配單獨(dú)的優(yōu)先級。借助于NVIC，從停止接收請求開始直至僅用12個周期完成第一次服務(wù)的中斷時間，就已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了快速的響應(yīng)。STM32CPU它支持兩種典型運(yùn)算應(yīng)用程序操作模式:線程和事件處理器操作模式。我們同時應(yīng)該說需要特別注意的一點(diǎn)是，兩種存儲模型都可能具備了單獨(dú)的動態(tài)數(shù)據(jù)存儲堆棧。該軟件設(shè)計可以讓程序開發(fā)者不僅可以在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下同時執(zhí)行較為復(fù)雜的應(yīng)用程序且從而能夠同時更好的使用支撐實(shí)時程序運(yùn)行的移動操作系統(tǒng)。Cortex-M3處理器也可以包括一個24位的自動負(fù)載重新安裝負(fù)載定時器，可以用來給整個內(nèi)核系統(tǒng)提供一個具有周期性的固定電容量負(fù)載中斷(RTOS)。STM32微控制器的硬件設(shè)計電路包括一個晶體振蕩器電路，一個復(fù)位電路，一個電源電路和一個串行端口。2.4.1.1晶體振蕩器電路晶體振蕩器是一個單片機(jī)的"心臟"是晶體振蕩器。單片機(jī)可以提供一個振蕩的頻率，并且可以提供一個主要的時間來控制單片機(jī)的每個工作周期。晶體振蕩器電路由單個微型計算機(jī)芯片組成。它由兩個電容器和一個晶體振蕩器組成。電容器的作用是為晶體振蕩器的電路提供初始功率。振蕩，激發(fā)晶體功能，并為微控制器提供時鐘。電路如圖2-3所示。圖2-3晶振電路圖2.4.1.2復(fù)位電路微控制器在系統(tǒng)開始或自動停止時都可能需要對它的CPU和某些操作系統(tǒng)的內(nèi)部組件開始進(jìn)行自動復(fù)位，使其系統(tǒng)能夠從初始工作狀態(tài)和再到自動化狀態(tài)地從初始工作狀態(tài)組件開始正常進(jìn)行工作。例如，當(dāng)整個引導(dǎo)系統(tǒng)都能夠處于正常值的執(zhí)行工作狀態(tài)而只有振蕩器穩(wěn)定時，如果RST在引導(dǎo)管腳上的振蕩電平很高并且能夠保持2個月的機(jī)械復(fù)位周期(24個振蕩周期)，那么CPU就同樣可以同時做出快速響應(yīng)和自動復(fù)位。MCU充電系統(tǒng)的降壓復(fù)位充電模型主要包括手動降壓復(fù)位充電按鈕和上下充電復(fù)位。手動高級復(fù)位地圖按鍵輸入需要用手動復(fù)位地圖或連接至高級手動復(fù)位按鍵RST的按鍵輸入。一般操作步驟上就是在兩個RST端子與兩個正常的VCC端子電源之間分別接入一個電源按鈕。手動正確地按下這個控制按鈕時，5v的VCC輸出電平將直接被自動添加出來到一個RST端子。該復(fù)位電路控制按鍵的手動電壓復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如軟件圖2-4所示。圖2-4復(fù)位電路2.4.1.3電源電路STM32單片機(jī)是采用3.3V供電系統(tǒng)，需要使用精準(zhǔn)的穩(wěn)壓芯片進(jìn)行供電，如果電壓波動大會影響甚至是燒壞單片機(jī)。型號是ASM1117-3.3，其電路如下圖2-5所示。圖2-5穩(wěn)壓電路2.5加速度計MPU6050的加速度表組成部分能夠用來測量得到各個時間軸方向的加速度，并經(jīng)AD轉(zhuǎn)換之后就能夠輸出一個數(shù)字信號。MPU6050實(shí)物圖如圖2-6所示。+Z++Z++Z+X+Y+X圖2-6MPU6050實(shí)物圖與對應(yīng)坐標(biāo)軸示意圖圖2-7加速度檢測的基本原理圖2-7加速度檢測的基本原理可以看到通過微導(dǎo)體加工制造技術(shù)將碳化硅作為晶片上材料制造制作出來的機(jī)械式電動懸臂。它與其負(fù)極相鄰的兩個電極組合成兩個正極電容。由于不斷增大的運(yùn)動加速度，機(jī)械式高壓懸臂和兩個高壓電極之間的中心距離可能會發(fā)生變化，從而直接導(dǎo)致兩個高壓電容器之間的電極位置也會發(fā)生較大改變。電容輸出參數(shù)的自動改變由集成電容信號放大器模擬輸入端對集成電容開關(guān)電路進(jìn)行自動測量，并自動產(chǎn)生一個與模擬輸入輸出加速度參數(shù)成一個正比例的模擬輸出輸入電壓。只需要測量一個軸上的加速度即可計算手推車的傾斜度。如圖2-8所示，假設(shè)舵機(jī)垂直時，無人機(jī)的前進(jìn)方向?yàn)镸PU6050的Y軸正方向。圖2-8圖2-8無人機(jī)受力分析當(dāng)無人機(jī)向前傾時，無人機(jī)的重心對y軸上的力即為，則便是無人機(jī)重力對y軸上的一部分力，為因此MPU6050在y軸上所能夠取得的最大加速度。似乎僅需要一個加速度數(shù)據(jù)就能獲得無人機(jī)傾斜角度，但是在對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)際操作時，由無人機(jī)自身的運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度將會對無人機(jī)產(chǎn)生較大的干擾和信號，在上述測量中會超該干擾信號。信號，使得輸出的信號不準(zhǔn)確。反映了無人機(jī)傾斜程度，如圖2-9所示。運(yùn)動引起的電壓波動時間t加速計u（t）實(shí)際傾角變化圖2-9加速度計信號波動運(yùn)動引起的電壓波動時間t加速計u（t）實(shí)際傾角變化由無人機(jī)的運(yùn)動產(chǎn)生的振動的加速度使輸出電壓的波動接近實(shí)際傾斜電壓。低通濾波可用于對此進(jìn)行濾波，但也會使信號不能實(shí)時反映無人機(jī)傾斜度的變化，從而影響無人機(jī)的控制，使無人機(jī)無法操縱。2.6陀螺儀陀螺儀是一種可以被廣泛應(yīng)用于計算和檢測物體旋轉(zhuǎn)的角速度。它所使用的工作原理是，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的對象必須承受克里奧爾力，并且這種壓電式的陶瓷被廣泛地應(yīng)用于設(shè)備內(nèi)部的振動單位。所以當(dāng)設(shè)備發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，它就會改變一個振動的頻率，以便于反映設(shè)備物體高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動角。把MPU6050安裝到無人機(jī)上時，就可以檢查一下無人機(jī)的傾斜程度。傾斜速度和角矩信號可通過采集組合成的傾斜速度信號得到，即無人機(jī)的傾斜角。由于這種陀螺儀在無人機(jī)模型中的輸出頻率為角速度，因此它們不會直接受到無人機(jī)機(jī)身上震蕩和振動的影響，因此對于無人機(jī)的信號產(chǎn)生噪聲極其低。根據(jù)無人機(jī)傾斜角速度計算對該無人機(jī)的傾斜值數(shù)據(jù)進(jìn)行了積分，以便于進(jìn)一步獲取平滑的信號?？梢宰尳嵌瓤刂菩盘栕兊酶鼮榉€(wěn)定。但是，在實(shí)際情況下，測得的速度信號將具有最小的誤差。積分操作后，將產(chǎn)生一個誤差，該誤差將隨著時間的流逝逐漸增加，最終電路將終止，并且將不會創(chuàng)建正確的角度信號。如圖2-11所示。積分后的角度信號由于角速度偏差引起的積累漂移誤差積分后的角度信號由于角速度偏差引起的積累漂移誤差圖2-11積分信號圖加速度計對加速度非常敏感，并且由于無人機(jī)的運(yùn)動，檢索到的數(shù)據(jù)將產(chǎn)生高頻噪聲。陀螺儀測量的數(shù)據(jù)很少會受到汽車振動的影響，但隨著時間流逝易發(fā)生積分漂移。因此，可以考慮使用輔助濾波器，以便兩個傳感器之間只能彌補(bǔ)彼此的不足。簡而言之，輔助濾波就是將一個陀螺儀在短暫的時間內(nèi)獲得的最優(yōu)角度用作最佳值，并且把從加速度變換的最優(yōu)角度定期地進(jìn)行平均，以便于校正一個陀螺儀在過程中獲得的最優(yōu)角度。具體的實(shí)現(xiàn)方法如圖2-12所示。積分比例積分比例陀螺儀加速度計+++-角速度ω角度θ圖2-12互補(bǔ)濾波原理框圖+利將由陀螺儀加速度計算機(jī)獲得的角度信息與由陀螺儀合并的角度θ信號進(jìn)行了比較，并在兩者合并前產(chǎn)生一個比較誤差的信號，然后將其與陀螺儀相同的輸出信號的角速度進(jìn)行疊加。從上表中的一個框圖我們可以清楚地看出，對于一個給定的加速度計算角度，在給定的比例連桿和積分式連桿之后形成的是角度θ必須相同。由于從同軸加速度計中計算獲得的各個值在角度處的信息都不一定存在信息累積和角度誤差，因此最終結(jié)果消除了估計輸出的各個值在角度θ和值處的信息累積和角度誤差。強(qiáng)噪聲測量信號在同軸加速度計基礎(chǔ)上可以疊加應(yīng)用到由強(qiáng)和弱噪聲測量信號轉(zhuǎn)換成的不同角度測量信息上。為了有效減少高頻噪聲發(fā)射信號對諧波頻率幅度θ的波動影響，比例因子必須非常小。這樣，在經(jīng)過了比例積分后，噪聲加速度信號將會在輸入的角度信息中將極其小。由于加速度計存在一個重要的環(huán)節(jié)，無論輸出角度θ多么小，最終的輸出角度θ都必須是等于加速度計所測得的角度，但是這種調(diào)整過程會在減法中擴(kuò)展。為了避免輸出的角度太長，可以考慮執(zhí)行以下兩個步驟:仔細(xì)地調(diào)整一下陀螺儀的放大器電路，使零偏移盡量地接近到所規(guī)定的值并始終保持穩(wěn)定。在控制電路和程序運(yùn)行操作開始時，請嘗試讓無人機(jī)保持一種直立狀態(tài)，以使其輸出的角θ與起動機(jī)開始相同。此后，加速度計的輸出僅用來消除積分的偏差，并且輸出角度不會有較大偏差。2.7GPS全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。GPS自問世以來，就以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活吸引了眾多用戶。GPS不僅是汽車的守護(hù)神，同時也是物流行業(yè)管理的智多星。隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，GPS有著舉足輕重的作用，成為繼汽車市場后的第二大主要消費(fèi)群體。GPS是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位功能的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。在無人機(jī)飛行期間，有必要實(shí)時獲取飛行的坐標(biāo)位置，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸將其發(fā)送到地面站。GPS傳感器用于捕獲無人機(jī)的左側(cè)位置。GPS定位技術(shù)的基本原理就是相遇于太空。GPS衛(wèi)星到用戶的接受天線與用戶的傳輸信號之間的距離可作主要的觀察值。根據(jù)目前已知衛(wèi)星即時地點(diǎn)的坐標(biāo)，確定了用戶在該接收器上的位置，即，可以確定該點(diǎn)的三維度。GPS定位中的坐標(biāo)(x，y，z)分為偽距測量和載波相位測量。每個GPS衛(wèi)星始終都會有自己的位置和時間信號數(shù)據(jù)，用戶都可以從每個衛(wèi)星的信號發(fā)射開始，來測量從每個衛(wèi)星的信號發(fā)送到接收器的時間和延遲，并根據(jù)這些信號的傳輸速率來進(jìn)行計算從每個接收器發(fā)送到每個衛(wèi)星的距離。當(dāng)同時從至少4顆衛(wèi)星上同時地收集數(shù)據(jù)時，通過一系列被檢測和處理的過程(例如頻率變化，放大和濾波)，GPS的衛(wèi)星信號將被監(jiān)視，打開，鎖定和進(jìn)行測量，從而形成一個適合我們所在地區(qū)衛(wèi)星位置的數(shù)據(jù)信息(主要包括:緯度，經(jīng)度，高度，速度，日期，時間，航向，衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)等)，串行的數(shù)據(jù)將會通過I/O端口進(jìn)行輸入。GPS定位技術(shù)分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位，絕對定位與相對定位，定位變化。圖2-13實(shí)物圖（1）工作電壓：3.5～5V直流。（2）接收靈敏度：-159dBm。（3）體積大?。?5.4×25.4×7mm。（4）模塊重量：7克。（5）定位精度：<3m（6）系統(tǒng)內(nèi)存：4MB（1）空間部分地面無線控制監(jiān)視系統(tǒng)主要包括一個無線監(jiān)視臺(MonitorStation)，一個非常主要的控制臺(MasterMonitorStation)和一個移動地面控制天線(GroundAntenna)三個大部分。主控制下的電視臺總部位于美國科羅拉多州的縣城斯普林菲爾德·斯普林菲爾德)。地面觀測控制臺不僅負(fù)責(zé)進(jìn)行采集觀測衛(wèi)星在軌發(fā)射后的所接收觀測到的衛(wèi)星信息，并且同時負(fù)責(zé)進(jìn)行計算觀測衛(wèi)星在軌行駛時所經(jīng)過的的日歷，相對應(yīng)的距離，大氣溫度校正等其他相關(guān)資料。（2）用戶設(shè)備的一部分用使用者設(shè)備的另外一個組成部分就是GPS信號接收器。它的主要作用就是使得衛(wèi)星能夠依靠某個衛(wèi)星上的截止角來進(jìn)行測量、監(jiān)視它們的運(yùn)動。接收器通過無線網(wǎng)絡(luò)捕獲被監(jiān)視的衛(wèi)星信號后，它們就可以實(shí)現(xiàn)了從接受器的天線檢測到衛(wèi)星之間的假距離和太陽光的距離變化頻率，并對諸如衛(wèi)星的軌道參數(shù)之類的相關(guān)性數(shù)據(jù)做出了解調(diào)。接受者的定位微處理計算機(jī)系統(tǒng)可以基于這些數(shù)據(jù)，根據(jù)定位計算的方法來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行定位計算，并且精確地計算出每個用戶的緯度，緯度，高度，速度，時間和其他地理位置信息。接收機(jī)的硬件，內(nèi)部軟件及GPS數(shù)據(jù)后處理軟件包組合而形成了一個完整的GPS用戶裝置。GPS接收器按其結(jié)構(gòu)可以劃分為天線單元和接受裝置兩個部分。接收機(jī)一般在機(jī)械內(nèi)部或外部有兩種形式的直流電源。設(shè)置內(nèi)部電源的主要目標(biāo)就是在更換外部電源的同時進(jìn)行持續(xù)而不停地的觀測。當(dāng)我們使用外部電源時，內(nèi)部的蓄電池就會自動進(jìn)行充電。當(dāng)機(jī)器關(guān)機(jī)后，機(jī)器內(nèi)部的蓄電池將會為RAM存儲器提供電壓，以便于防止數(shù)據(jù)的丟失。不同類型的接收器變得更小，更輕，尺寸更輕，這便于在現(xiàn)場觀察和使用。其次，有用戶收件人。單速和急速有兩種類型。但是，由于市場價格的原因，大多數(shù)用戶購買單頻接收器。1）通過搜索一顆可用的衛(wèi)星，接受到該衛(wèi)星的信號，與其他衛(wèi)星的信號進(jìn)行同步，并檢索導(dǎo)航消息信息。2）通過控制導(dǎo)航器的消息可以獲取出可供計算物體位移所必要的數(shù)據(jù)信息。此處的信息類型應(yīng)該指的是能夠包含有關(guān)于時鐘表的信息以及諸如星歷表之類的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。3）通過天線計算地球衛(wèi)星的準(zhǔn)確軌道位置，包括通過天線計算地球衛(wèi)星的軌道高度和計算地球軌道方位角的夾角，以及對計算衛(wèi)星高度進(jìn)行必要的衛(wèi)星對流大氣層高度校正4）計算偽距并進(jìn)行電離層校正。5）重復(fù)上述過程，據(jù)此計算所有可用衛(wèi)星。6）對衛(wèi)星位置進(jìn)行其他必須的校正，比如根據(jù)衛(wèi)星信號發(fā)射到GPS接收器時的一段距離校正因地球自轉(zhuǎn)而引起的衛(wèi)星位置偏差。7）依靠定位器的工作原理，計算GPS接收器的初始位置，并將其轉(zhuǎn)化為所需要的坐標(biāo)值和格式以便于進(jìn)行信號的顯示或者輸出。8）添加leap秒和UTC（標(biāo)準(zhǔn)世界時）時間費(fèi)用以計算當(dāng)前準(zhǔn)確時間。9）對于所有可用的精密衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，計算并得出最佳精度dop(精密衛(wèi)星稀釋），選取一顆衛(wèi)星，計算和分析校正一個GPS衛(wèi)星接收器在整個地球上的精確位置，并同時提供關(guān)于GPS衛(wèi)星接收器三維空間協(xié)調(diào)及準(zhǔn)確的快速測量衛(wèi)星時間等等數(shù)據(jù)。2.8舵機(jī)控制電路的設(shè)計在H橋電路中通常被應(yīng)用為直流電動機(jī)控制過程中的電源傳動電路。由于所使用的功率MOS管都是壓控元件，因此它們具有輸入阻抗大，開關(guān)速度快，無二次損壞等特點(diǎn)，可以很好地滿足高速啟動開關(guān)要求。所以，MOS功率管一般被應(yīng)用來形成H橋電路上的橋臂H橋集成電路中的4個功率MOS管分別使用了N溝道和P溝道，而P溝道的功率MOS管通常并沒有被廣泛應(yīng)用來驅(qū)動整個橋下臂上的發(fā)電機(jī)，因此只能選擇兩種可能的解決辦法:一個就是橋的上，下臂。分別選擇兩個P溝道MOS功率管和兩個N溝道功率MOS管。另外兩個則是使用N溝道MOS功率管進(jìn)行上橋臂和下工作時的上橋臂。相對而言，使用兩個N溝道MOS功率晶體管和兩個P溝道MOS功率晶體管來為驅(qū)動電機(jī)提供解決方案，它們都有簡單的控制電路與成本低。但是，由于信號處理技術(shù)發(fā)展的原因，p溝道功率MOS管的特殊性能不如N溝道功率MOS管的特殊性能差，且其驅(qū)動電流小，因此常被應(yīng)用在一些功率不大的驅(qū)動電路中。一方面，M型功率MOS管可以具有更高的便攜式使用效果，更好的頻率響應(yīng)和跨導(dǎo)。另一方面，它們還可以增大傳導(dǎo)電流，降低傳導(dǎo)電阻，降低了成本，并有效地減少了面積。鑒于到了該系統(tǒng)的強(qiáng)度，可靠性的要求以及M溝道功率MOS管的特殊性等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計所使用的H橋電路分別具有2個N溝道功率MOS管和2個P溝道功率MOS管。具有更高的性能和良好的可靠度。電路圖如圖2-14：IR2104SIR2104SCOMVCCSDINLOVSVBHOC4D2C3R3R4VT4VT3VT2VT1VCCR2R1C2C1D1LOVBVSHOCOMVCCSDINMIR2104SIR2104SCOMVCCSDINLOVSVBHOC4D2C3R3R4VT4VT3VT2VT1VCCR2R1C2C1D1LOVBVSHOCOMVCCSDINM圖2-14舵機(jī)控制電C4路圖C42.9巡線攝像頭電路設(shè)計無人機(jī)巡線方法使用可視巡線，可視巡線通過攝像頭連接和單片機(jī)的USB端口完成數(shù)據(jù)收集和分析。攝像機(jī)線跟蹤算法是通過灰度值二分法完成的。通過用灰度值處理收集的圖像，可以對圖像進(jìn)行二值化和分析，以完成電力線監(jiān)控。相機(jī)和控制器之間的連接采用USB電路設(shè)計，系統(tǒng)使用迷你USB接口完成與相機(jī)的連接。電路設(shè)計如圖2-15所示。圖2-15USB接口電路2.10電源電路設(shè)計電源控制電路的主要物理功能作用描述:此類能源電路對整個器械設(shè)計工作過程及其中都會具有一定的物理影響和功能推動，它們也都是為保證器械正常運(yùn)行而不斷提供的一種重要原動力。此在本系統(tǒng)中，由于傳感器較多，工作電流挺大，用普通的LM7805穩(wěn)壓芯片不能滿足本設(shè)計的需要，所以本設(shè)計采用的穩(wěn)壓芯片是LM2596。設(shè)計思路很簡單：將220V交流電經(jīng)變壓、整流、LM2596可調(diào)輸出電壓式穩(wěn)壓芯片、濾波后得到所需的5V電壓，電路如圖2-16所示。圖2-16電源電路3巡線無人機(jī)軟件設(shè)計3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計巡線無人機(jī)通過單片機(jī)與外圍器件進(jìn)行通信完成在高空中對高架線進(jìn)行巡檢尋跡的功能，整個系統(tǒng)包含電機(jī)模塊、GPS模塊、攝像頭、陀螺儀傳感器、無線數(shù)傳等。單片機(jī)通過采集陀螺儀數(shù)據(jù)完成對無人機(jī)的整個姿態(tài)的控制。通過GPS衛(wèi)星定位完成對自身位置左邊的獲取。通過驅(qū)動四軸旋翼完成無人機(jī)的飛行。使用攝像頭回去圖像信息來完成巡線的功能，系統(tǒng)主程序設(shè)計如圖3-1所示。首先對陀螺儀、GPS、單口、PWM進(jìn)行初始化，然后檢測無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，若姿態(tài)正常，控制無人機(jī)正常飛行；若姿態(tài)偏移，調(diào)整輔翼無人機(jī)再正常飛行；隨后啟動GPS進(jìn)行實(shí)時傳輸，更新GPS數(shù)據(jù)，然后啟動無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，并對攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行紅外線成像再判斷架空線路的結(jié)果。3.2GPS程序設(shè)計GPS檢測系統(tǒng)的功能能夠幫助對用戶行李箱中檢測衛(wèi)星位置進(jìn)行完全自動化的衛(wèi)星定位檢測操作，其主要任務(wù)目標(biāo)之一的也就是用戶能夠?qū)崟r捕捉到并得到按照一定的檢測衛(wèi)星移動截止時間角度來選取的多顆待移動檢測定位衛(wèi)星，并實(shí)時自動追蹤這些檢測衛(wèi)星的快速移動和正常運(yùn)行。當(dāng)衛(wèi)星接收器成功捕獲并接到被衛(wèi)星跟蹤的信號衛(wèi)星發(fā)射信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。GPS程序設(shè)計如圖3-2所示。開始開始`更新GPSGPS更新GPSGPS初始化Y衛(wèi)星數(shù)據(jù)Y衛(wèi)星數(shù)據(jù)NN結(jié)束結(jié)束圖3-2GPS程序圖開始開始陀螺儀初始化陀螺儀初始化GPS初始化 GPS初始化單口初始化單口初始化PWMPWM初始化姿態(tài)正常姿態(tài)偏移檢測無人機(jī)姿態(tài)正常姿態(tài)偏移檢測無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù). 控制無人機(jī)飛行調(diào)整輔翼控制無人機(jī)飛行調(diào)整輔翼啟動GPS啟動GPS實(shí)時傳輸N無人機(jī)屬于懸停N無人機(jī)屬于懸停狀態(tài)GPSGPS數(shù)據(jù)更新YY啟動無線傳輸?shù)降孛鎲訜o線傳輸?shù)降孛鏀z像頭輸出檢測結(jié)果攝像頭輸出檢測結(jié)果正在檢測架空線正在檢測架空線結(jié)束結(jié)束圖3-1無人機(jī)系統(tǒng)總體框圖3.3陀螺儀程序設(shè)計在控制系統(tǒng)中，MPU6050負(fù)責(zé)計算和測量汽車Y軸上的加速度和X軸之間的旋轉(zhuǎn)角速度，并把所測量到的模擬值變成一個數(shù)字量，然后再輸入到MCU。由于MPU6050的口接口只是支持IIC通信，因此想要使得MCU與MPU6050之間進(jìn)行通信，就需要在其中使用一個普通IO口來對IIC進(jìn)行通信。+Z+Y+Z+Y+Z+X+Y+X圖3-3MPU6050實(shí)物圖與對應(yīng)坐標(biāo)軸示意圖普通IO口模擬IIC通訊IIC總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，該總線只有兩根雙向信號線，一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。圖3-4IIC總線連線圖圖3-4IIC總線連線圖連接到IIC接口的設(shè)備可做主設(shè)備或從設(shè)備。主設(shè)備將Slave地址傳到總線上，從設(shè)備用與其匹配的地址來識別主設(shè)備。在該控制系統(tǒng)中，MCU作為主設(shè)備，MPU6050作為從設(shè)備，其Slave地址為b1101000，7位字長。當(dāng)SCL線為高電平時，SDA產(chǎn)生線由高到低的下降沿，此為傳輸開始標(biāo)志（S）。當(dāng)SCL線為高電平時，SDA線產(chǎn)生由低到高的上升沿，此為傳輸結(jié)束標(biāo)志（P）。開始標(biāo)志（S）產(chǎn)生后，在結(jié)束標(biāo)志（P）產(chǎn)生之前，總線狀態(tài)一直為忙。圖3-5標(biāo)志產(chǎn)生示意圖SCL起始條件停止條件SDASCLSAD圖3-5標(biāo)志產(chǎn)生示意圖SCL起始條件停止條件SDASCLSAD3.4電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計巡線無人機(jī)的四軸電機(jī)采用的是無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)控制原理為PWM調(diào)速控制，無刷直流電機(jī)通過大功率的電調(diào)完成驅(qū)動，電調(diào)采用的是大功率H橋MOS管進(jìn)行驅(qū)動，其輸入的PWM頻率最大可達(dá)50KHZ電機(jī)最大轉(zhuǎn)數(shù)可達(dá)20000轉(zhuǎn)，單片機(jī)通過調(diào)解PWM的脈寬完成對電機(jī)的調(diào)速控制。液晶顯示與速度變化進(jìn)行，循環(huán)其程序設(shè)計如圖3-6：開始開始更新顯示速度液晶顯示更新顯示速度液晶顯示 Y速度變化Y速度變化NN返回返回圖3-6電機(jī)驅(qū)動程序流程圖首先初始化液晶顯示屏數(shù)據(jù)，當(dāng)速度變化是更新顯示屏的數(shù)據(jù)，若速度不變則顯示屏數(shù)據(jù)不變。3.5數(shù)傳程序設(shè)計巡線無人機(jī)系統(tǒng)與地面站通信采用的是遠(yuǎn)程數(shù)傳系統(tǒng)，無人機(jī)的控制器通過串口與數(shù)傳進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將無人機(jī)的自身信息發(fā)送到地面站處?？刂破髟诔绦蛑谐跏蓟诤瘮?shù)等待串口中斷發(fā)生完成數(shù)據(jù)發(fā)送。程序設(shè)計如圖3-7所示。先進(jìn)行串口、中斷初始化，再進(jìn)行檢測是否發(fā)生串口中斷，如果中斷則結(jié)束，如果未中斷發(fā)送串口數(shù)據(jù)，清空中斷標(biāo)志位，再中斷初始化進(jìn)行，進(jìn)行循環(huán)直至串口中斷。開始開始串口初始化串口初始化清空中斷標(biāo)志位清空中斷標(biāo)志位中斷初始化中斷初始化發(fā)送串口數(shù)據(jù)發(fā)送串口數(shù)據(jù)Y是否發(fā)生串口中斷Y是否發(fā)生串口中斷NN等待串口中斷等待串口中斷結(jié)束結(jié)束圖3-7傳輸程序流程圖3.6巡線程序設(shè)計控制器通過二值化出倆完成攝像頭圖像的采集與識別，本車設(shè)計主要是檢測架空線路的故障點(diǎn)，所以采用二值化算法即可，攝像頭采集數(shù)據(jù)通過USB傳送到控制器。控制器通過截取圖像的灰度值進(jìn)行二值化處理提取架空線的值進(jìn)行判斷即可。如圖3-8所示。首先對USB接口和SPI總線初始化，然后讀取攝像頭灰度值數(shù)據(jù)，在截取中央的灰度值并將其轉(zhuǎn)化成二值化數(shù)據(jù)，判斷二值化標(biāo)志位，若巡線異常發(fā)揮異常的布爾值，若巡線正常則程序結(jié)束。開始開始USBUSB接口初始化初始化SPI初始化SPI總線讀取攝像頭灰度值數(shù)據(jù)讀取攝像頭灰度值數(shù)據(jù)截取中央位置的灰度值并轉(zhuǎn)化成二值化數(shù)據(jù)截取中央位置的灰度值并轉(zhuǎn)化成二值化數(shù)據(jù)判斷二值化標(biāo)志位判斷二值化標(biāo)志位NYNY巡線異常巡線正常巡線異常巡線正常V返回異常的布爾值返回異常的布爾值返回返回圖3-8控制器巡線程序圖4巡線無人機(jī)的運(yùn)行試驗(yàn)無人機(jī)自室內(nèi)調(diào)試完成之后進(jìn)行室外巡線檢測測試，首先找到空曠無人的環(huán)境進(jìn)行無人機(jī)試飛，將無人機(jī)平放地面上，調(diào)試好地面站，將地面站與無人機(jī)行進(jìn)解鎖通信，此時地面站界面上顯示無人機(jī)的連接狀態(tài)。當(dāng)連接成功之后地面站如圖4-1所示。圖4-1地面控制臺圖啟動無人機(jī)使其處于懸停狀態(tài)。等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行開啟攝像頭，無人機(jī)在不進(jìn)入工作狀態(tài)是不啟動攝像頭紅外線熱成像讀取，此時攝像頭處于圖傳狀態(tài)，系統(tǒng)可通過無人機(jī)攝像頭進(jìn)行獲取圖像。此時啟動無人機(jī)巡線功能，將無人機(jī)懸停在架空線路上方。在地面站啟動無人機(jī)的巡線功能。此時攝像頭進(jìn)行紅外線熱成像，系統(tǒng)只能識別黑色與熱感應(yīng)的其他顏色，如果其他顏色不連續(xù)，或者在一定的區(qū)域方位內(nèi)出現(xiàn)斷裂的情況則說明此處線路有斷路的現(xiàn)象，當(dāng)其他顏色出現(xiàn)連續(xù)的情況此時說明線路完好。從圖4-2可以看出，無人機(jī)攝像頭對圖像進(jìn)行二值化處理，由于二值化處理圖像不清晰，所以最終使用紅外線熱成像處理。由于場地的架空線路都是完好的，所以我們通過地面站的操作干預(yù)使得無人機(jī)飛出架空線的一段范圍使其檢測不到架空線路，此時無人機(jī)認(rèn)為此處為開路故障。綜上試驗(yàn)得到結(jié)果，本次設(shè)計的巡線無人機(jī)檢測高壓架空線路設(shè)計能完美的解決架空線路的檢測問題。圖4-2檢測架空線路測試場景5結(jié)論針對無人機(jī)飛行控制技術(shù)展開了研究。主要內(nèi)容包括以下幾個部分：無人機(jī)飛行控制;系統(tǒng)硬件設(shè)計；無人機(jī)飛行控制設(shè)計以及試驗(yàn)。（1）首先對無人機(jī)歷史背景與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了查閱，然后設(shè)計了控制系統(tǒng)總體方案?；谶@個方案設(shè)計進(jìn)行無人機(jī)配件選材，如加速計、陀螺儀、GPS等等。（2）我們研究了一種適用于微小型無人機(jī)的無線導(dǎo)航應(yīng)用。以微單片式電機(jī)技術(shù)為核心基礎(chǔ)硬件和平臺構(gòu)建了一套基于微機(jī)械采用陀螺儀、加速度等儀器作為系統(tǒng)技術(shù)理論基礎(chǔ)的一種無人機(jī)機(jī)動導(dǎo)航系統(tǒng);首先設(shè)計了一種基于運(yùn)動誤差四個位元數(shù)的機(jī)動無人機(jī)飛行姿態(tài)卡爾曼濾波模擬算法，同時，針對一種無人機(jī)在機(jī)動跑道飛行的操作過程中剛性機(jī)體具有加速度運(yùn)動受到外力影響而無人機(jī)姿態(tài)被錯誤測量的實(shí)際運(yùn)動情況，采用了一種組合姿態(tài)濾波的計算方法應(yīng)用來大幅提高了無人機(jī)姿態(tài)卡爾曼濾波的計算精度，之后引入基于GPS的剛體運(yùn)動時加速度和剛體位置相關(guān)信息.。（3）基于相關(guān)的國內(nèi)外飛行控制系統(tǒng)概述，提出了無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。根據(jù)要求，STM32F103VE微控制器是整個方案的核心，它由一個飛行控制系統(tǒng)和一個地面測控系統(tǒng)組成，并且該方案的每個模塊都得到了詳細(xì)設(shè)計。包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，GPS模塊，電源模塊，地面站軟件。之后，拆卸飛行控制系統(tǒng)，并顯示軟件流程圖。最后進(jìn)行無人機(jī)試驗(yàn)。在完成了(1)、(2)、(3)工作的基礎(chǔ)上，完成無人機(jī)的巡線功能。參考文獻(xiàn)[1]PaulG.Fah1strom，ThomasJ.Gleason.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].吳漢平譯.北京：電子