四旋翼飛行器光流模塊設計

李蕊冰

（西安石油大學電子工程學院，西安710000）

0 引言

隨著多傳感融合技術的不斷發展[1]和圖像處理技術的不斷提高，四旋翼飛行器航拍技術廣受人們歡迎，其中定點懸停技術已成為航拍中不可或缺的一部分，該技術要求四旋翼飛行器定點懸停在空間中某一指定點，并完成該點處的任務。現有采用GPS 定位的四旋翼飛行器具有全天候、高覆蓋率等優點[2]，但其抗干擾性弱、隱蔽性差；光學動作捕捉系統定位精確度高，價格貴，適合在室內有攝像頭或光照強度低的環境，且飛行器只能在攝像頭捕捉到的范圍內，十分受限[3]。光流模塊是將光學追蹤傳感器PMW3901 和激光測距傳感器VL53L0X 相互融合實現定點懸停技術，其精確性比GPS 定位高，價格低于光學動作捕捉系統，可以更好地服務于人類。

1 基本工作原理

（1）基本結構

四旋翼飛行器包括電調、電機、電池、槳葉、機架、飛行控制器（飛控）、遙控器等。

①電調：即電子調速器，用以控制電機的起停及轉速。

②電機：安裝在槳葉下邊，為槳葉提供動力。

③電池：用于滿足四軸的用電需求，為四軸飛行提供充足的電量。

④槳葉：為四軸提供飛行動力，有正反槳之分，順時針旋轉的槳葉為正槳。

⑤機架：是四旋翼飛行器的主干，承載了各個部分。

⑥遙控器：用于發送各種指令，控制四旋翼飛行器的飛行。

⑦飛控：不僅可以分析數據，求解姿態，還能夠控制四旋翼飛行器的飛行狀態。

（2）動力學模型

四旋翼飛行器是在飛控的作用下改變電機轉速帶動槳葉旋轉，引起四軸轉動。通過控制電機轉動，槳葉產生不同的升力，從而控制飛行器的姿態和位置，這使得四軸在空中可以實現多種運動，如垂直升降、前后左右、順逆時針運動等。

四旋翼飛行器的支架可分為“+”字模式和“X”模式[4]。“X”模式的支架控制響應速度快，視野開闊[5]。下面以常見的“X”模式四旋翼飛行器為例，簡述幾種飛行運動。如圖1 所示。

圖1

①當MI、M2、M3、M4 輸出功率同時增加或減小，可以實現垂直升降；

②當M1 和M4 輸出功率減小或不變，M2 和M3輸出功率增大時，可以實現向前運動；

③當M1 和M2 輸出功率減小或不變，M3 和M4輸出功率增大時，可以實現向右運動；

④當M1 和M3 輸出功率減小或不變，M2 和M4輸出功率增大時，可以實現逆時針運動。

2 光流模塊

2.1 硬件設計

四軸由以UART 方式通信的兩個主控MCU 控制，NRF51822 主要是無線通信和電源管理，STM32F411 負責讀取傳感器、融合數據等。承接在STM32F411 主控芯片上的是以IIC 方式與四軸通訊的九軸傳感器MPU9250 和氣壓傳感器BMP280，該傳感器可以測量四軸姿態數據和氣壓等。其硬件系統框架如圖2所示。

圖2

光學追蹤傳感器PMW3901 是原相公司研發的，可測量0.8 米以上的水平距離，工作電流小，電壓易滿足。1.8V 和3.0V 的LDO 分別提供給VDD 和VDDIO，SPI 接口連接SPI2，片選信號為PA8，LED1 為紅外LED。

激光測距傳感器VL53L0X 包含紅外接收器和激光發射器，利用接收到光子的時間計算距離，測距更加精準。該傳感器通過下拉電阻得到最佳電壓，使用IIC通信接口，通信最大速率400K。圖3 為光流模塊與飛控的連接框圖，圖4 為光流模塊的實物圖。

圖3 連接框圖

圖4 實物圖

2.2 軟件設計

NRF51822 主要負責無線通訊和電源管理，遙控器發送數據通過無線通信傳至系統等進行解析，如果不是發送給NRF51822，則途經串口驅動轉發給STM32F411，當STM32F411 收到數據包時，又原路返回給遙控器，因此，該傳感器就搭建了通信橋梁。

STM32F411 是四旋翼飛行器的核心，主要負責傳感器的讀取，數據的融合等。當接收到遙控器發送的數據時，經過無線通信和數據接收包發送給四軸，待四軸解析完數據進行分類后轉發給電機，電機帶動槳葉旋轉，完成相應的飛行動作。

光學追蹤傳感器PMW3901 與四軸采用SPI 的通信方式，其源碼由底層SPI 驅動和光流數據通信組成。底層SPI 驅動配置有2 線全雙工，2M 波特率和主機模式。SPI 的收發均使用DMA 的方式，接收DMA使用DMA1 數據流3，發送DMA 使用DMA1 數據流4。激光傳感器VL53L0X 與四軸采用IIC 的通信方式，通信源碼主要有底層IIC 驅動和激光測距應用。底層IIC 驅動配置2 個通用I/O（PB4/PB5）模擬IIC。每一部分都有其相應的程序代碼，圖5 為軟件系統控制框圖。

圖5 軟件系統框圖

3 實驗分析

以匿名科創地面站為背景，用USB 數據線將四軸與電腦連接起來，電腦端呈現出虛擬四旋翼飛行器，分析、記錄數據，進行室外飛行，重復以上操作，多次實驗，得到相關結果。圖6 為虛擬四旋翼飛行器的控制狀態圖，圖7 為在該控制狀態下的波形圖。

圖6 控制狀態圖

圖7 波形圖

4 結語

本文在現有四旋翼飛行器技術的基礎上，對其進行更精準的定點懸停技術改進，從硬件和軟件兩部分介紹了實現定點懸停技術的方式方法，通過大量實驗論證分析及室外試飛檢測，驗證了該技術的可行性、可靠性、穩定性及精確性滿足需求。