基于四旋翼無(wú)人機(jī)的課程實(shí)踐教學(xué)

郁劍　張秋浩　鎮(zhèn)毅

摘 要

為了更好地提高高校學(xué)生對(duì)前沿科技的了解，同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐能力，把學(xué)科前沿技術(shù)四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)踐內(nèi)容引入到課程實(shí)踐中。本文介紹了基于四旋翼無(wú)人機(jī)課程實(shí)踐的具體內(nèi)容及實(shí)踐過(guò)程。實(shí)踐課程要求學(xué)生組隊(duì)并通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作完成一項(xiàng)基于四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐中自主求知的能力。課程實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生不僅掌握了基本的四旋翼無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)性能等知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，而且通過(guò)自主學(xué)習(xí)，能根據(jù)具體問(wèn)題提出有針對(duì)性的解決方案，提高了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞

四旋翼無(wú)人機(jī);課程實(shí)踐;實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐能力

中圖分類(lèi)號(hào)： G642;V279-4 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.032

0 引言

四旋翼無(wú)人機(jī)[1-7]是當(dāng)前社會(huì)是一個(gè)很新潮的電子設(shè)備，并且四旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也很廣泛，尤其是對(duì)于民用領(lǐng)域特別是娛樂(lè)領(lǐng)域，四旋翼無(wú)人機(jī)都有它的用武之地。雖然，四旋翼無(wú)人機(jī)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但是，由于技術(shù)等因素，直到二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種新型控制器、傳感器的出現(xiàn)， 四旋翼飛行器才再次進(jìn)入人們的視野。并且國(guó)內(nèi)的很多高校都開(kāi)設(shè)了無(wú)人機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)或課程，或者把四旋翼無(wú)人機(jī)嵌入到相對(duì)應(yīng)的課程實(shí)踐中，讓學(xué)生通過(guò)課上學(xué)習(xí)實(shí)踐更多地去認(rèn)識(shí)四旋翼無(wú)人機(jī)，并對(duì)其工作原理等有所了解，為后期學(xué)習(xí)四旋翼無(wú)人機(jī)或是工作打好基礎(chǔ)。目前，高校四旋翼無(wú)人機(jī)的研究主要可以分為以下三類(lèi)：

（1）遙控航模四旋翼飛行器。

（2）小型四旋翼飛行器。

（3）微型四旋翼飛行器。

四旋翼無(wú)人機(jī)是一種通過(guò)程序命令[6-7]、自主完成任務(wù)的無(wú)人飛行器，通過(guò)在四旋翼無(wú)人機(jī)上安裝視覺(jué)模塊，可以實(shí)現(xiàn)航拍、監(jiān)控、測(cè)繪等功能。基于四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)踐課程要求學(xué)生組隊(duì)并通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作完成一項(xiàng)基于四旋翼無(wú)人機(jī)的實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐中自主求知的能力。課程實(shí)踐結(jié)果表明，學(xué)生不僅掌握了基本的四旋翼無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)性能等知識(shí)和設(shè)計(jì)方法，而且通過(guò)自主學(xué)習(xí)，能根據(jù)具體問(wèn)題提出有針對(duì)性的解決方案，提高了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐能力。

1 課程實(shí)踐內(nèi)容

1.1 四旋翼無(wú)人機(jī)介紹

目前市面上四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)平臺(tái)很多， 但可以用于高校學(xué)生學(xué)習(xí)的平臺(tái)就很少了。并且基本上四旋翼無(wú)人機(jī)的飛控核心代碼是不開(kāi)源的，這對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐是很難。基于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的平臺(tái)，利用傳統(tǒng)的四旋翼無(wú)人機(jī)模型，借助TI公司的C2000 Launchpad作為飛控板以及樹(shù)莓派視覺(jué)模塊實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)主要包括機(jī)架（機(jī)身、機(jī)臂、起落架）等、動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)、電調(diào)、電池、螺旋槳等）、指揮控制系統(tǒng)（飛控板、視覺(jué)模塊、遙控器、接收機(jī)、地面站等）、傳感器系統(tǒng)（加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、超聲波傳感器、氣壓計(jì)等）等。設(shè)計(jì)平臺(tái)的基本框圖如圖1所示。飛控的主控制器采用的是TI公司C2000 Launchpad。視覺(jué)模塊采用的是樹(shù)莓派底板搭配一個(gè)800萬(wàn)像素的單目攝像頭，樹(shù)莓派地板是4核 1.2GHz，可以滿足很多需求，從而不需要雙目攝像頭。

1.2 四旋翼無(wú)人機(jī)的基本設(shè)計(jì)

飛行姿態(tài)的控制：采用“×”字模式，如圖2所示，Pitch和Roll與1，3、2，4兩組電機(jī)呈45°夾角。相比十字模型，這種結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，即通過(guò)控制兩組電機(jī)來(lái)控制飛行器的運(yùn)動(dòng)。主要有六種飛行狀態(tài)：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、航向運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)。

控制原理：“×”字模式的四旋翼無(wú)人機(jī)每個(gè)對(duì)軸由四個(gè)電機(jī)同時(shí)控制，根據(jù)電機(jī)序號(hào)的標(biāo)定，將3個(gè)歐拉角的控制量分解到4個(gè)電機(jī)上，高度的控制量4個(gè)電機(jī)是一致的，最后需要給每個(gè)電機(jī)加上一個(gè)油門(mén)基礎(chǔ)量。

傳感器的設(shè)計(jì)主要包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)等的設(shè)計(jì)。陀螺儀可以測(cè)量角速度，具有高動(dòng)態(tài)特性，但是它是一個(gè)間接測(cè)量器件，它測(cè)量的是角度的導(dǎo)數(shù)：角速度。加速度計(jì)是測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。在飛控系統(tǒng)中，加速度是重要的動(dòng)態(tài)特征校準(zhǔn)元件。當(dāng)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，加速度計(jì)測(cè)量出來(lái)的值就等于重力加速度 1g;當(dāng)系統(tǒng)在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的輸出為軸向的加速度和重力加速度的分量，這就不能準(zhǔn)確用于計(jì)算物體的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。磁力計(jì)可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位設(shè)備的方位，磁力計(jì)的原理跟指南針原理類(lèi)似，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。

無(wú)人機(jī)姿態(tài)表示的方法有很多種，比如歐拉角、四元數(shù)、DCM，各有的各的優(yōu)勢(shì)。較成熟的姿態(tài)解算算法中，主角還是角速度和加速度，磁力計(jì)只起到矯正糾正的作用。

1.3 四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例

利用四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)黑點(diǎn)懸停功能。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)懸停在黑點(diǎn)上，首先要通過(guò)視覺(jué)模塊檢測(cè)到黑點(diǎn)，通過(guò)視覺(jué)模塊返回的像素點(diǎn)計(jì)算出黑點(diǎn)距離相對(duì)飛行器中心的距離，然后根據(jù)計(jì)算出的距離進(jìn)行PID控制，最終使無(wú)人機(jī)平衡地懸停在黑點(diǎn)上。這是一個(gè)不斷檢測(cè)，不斷進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的過(guò)程。

黑點(diǎn)檢測(cè)用的是霍夫圓檢測(cè)函數(shù)，視覺(jué)模塊上搭建了opencv3開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用python語(yǔ)言編寫(xiě)視覺(jué)處理程序。將找到黑點(diǎn)的中心坐標(biāo)像素點(diǎn)聽(tīng)過(guò)串口發(fā)送到飛控板上，飛控板接收后，通過(guò)小孔成像的原理將像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的距離，然后將得到的距離送入位置PID函數(shù)，從而得到目標(biāo)pitch和roll再送入姿態(tài)控制PID函數(shù)，然后將最終得到的控制量分解到四個(gè)電機(jī)上，再將控制量送入PWM輸出函數(shù)里，從而控制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是飛機(jī)起飛，快速地識(shí)別黑點(diǎn)，然后調(diào)整自己的姿態(tài)和位置，最終懸停在黑點(diǎn)上。

2 結(jié)束語(yǔ)

在課程實(shí)踐過(guò)程中，學(xué)生的興趣被調(diào)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)手操作飛機(jī)、軟硬件編程、解決問(wèn)題，不斷提出自己的想法和意見(jiàn)。本課程實(shí)踐主要面向電子信息工程專(zhuān)業(yè)大三學(xué)生開(kāi)設(shè)的。該年級(jí)學(xué)生已學(xué)過(guò)相關(guān)的基礎(chǔ)及專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，并有一定的編程基礎(chǔ)，但是在控制理論方面基礎(chǔ)薄弱。因此，課后學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，了解并基本掌握飛行姿態(tài)的控制、傳感器的設(shè)計(jì)及相關(guān)控制原理等方面的知識(shí)。同時(shí)，能根據(jù)具體問(wèn)題提出有針對(duì)性的解決方案，提高實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

[1]溫凱等.全尺寸四旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與課程開(kāi)發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2018，9（35）：100-103.

[2]王剛等.四旋翼無(wú)人機(jī)控制理論與設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù).2018，16（2）：74-77.

[3] 魏元焜，等.基于STEAM 教育的無(wú)人機(jī)編程課程設(shè)計(jì)[J].電子制作.2018，10：68-70

[4]朱振豪，等.電子技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)課程探索[J].電子世界.2018，10：91-93

[5]曾舒婷，等.高等學(xué)校無(wú)人機(jī)課程的跨學(xué)科教學(xué)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（29）：168-169

[6]蔡鑫，等.四旋翼無(wú)人機(jī)自主循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J/OL].電光與控制.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/ 41.1227.TN.20190624.1659.044.html

[7]劉佳，等.固定翼無(wú)人機(jī)在線航跡規(guī)劃算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1307.TP.20190731.1412.008.html.