基于嵌入式系统与机器视觉的小飞机控制平台设计与实现

发布时间：2017-05-23 06:19

  本文关键词：基于嵌入式系统与机器视觉的小飞机控制平台设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着控制技术和控制器件的飞速发展，无人机的研究越来越受到更多的科研机构和企业的关注。各种无人机产品也逐渐由军用转向民用领域。本项目来源于“985”工程建设项目，在开发视觉技术与嵌入式技术的同时，最终研制的利用视觉控制可以自动飞行的四旋翼小飞机控制平台可用于教学演示和飞行控制原理的验证等。 国内虽然有一些高校和科研院所在研究四旋翼飞机，但绝大多数集中于对飞机自身控制技术的研究或者飞机自身控制器的搭建，而在飞控的研究领域，国内已经有一些企业可以生产出性能优越的四旋翼飞控，所以，本项目则避开飞机自身控制器的研究和研发，直接利用现有的产品，转而开发飞机的外界控制，即利用传感器基于嵌入式平台搭建反馈回路来代替人的操控，从而实现飞机的自动飞行。 整个平台由一个摄像头、一个超声传感器、一个MEMS陀螺、一台PC、一块ARM开发板、一块单片机开发板和一个四旋翼小飞机构成。在天花板布置的摄像头会采集飞机在视场内的图像，经过图像处理以识别飞机在空间内的平面位置和姿态。超声传感器固定在飞机上用来测量飞机的垂直高度，，而当飞机倾斜导致超声发射倾斜时，所测得的数据并非飞机的垂直高度，利用MEMS陀螺检测飞机倾角来计算飞机的垂直高度。 平台中各个平台的任务分工明确，PC负责图像的获取与处理任务、超声传感器和陀螺的数据读取与处理任务，并综合计算出飞机的位置姿态，即(x, y, z, θ)。平台中通过WIFI无线通信将PC的数据及时发送给ARM，ARM接收数据之后根据控制策略和规划好的飞机的飞行路径来决策发送给飞机的控制指令，这些指令传递给单片机，单片机按照指令来输出PWM波形，进而控制飞机在3维空间内按照规划的路径自动飞行。 平台中，在对飞机进行了机械改装之后，利用人工辅助的方法成功完成实验，四旋翼飞机可以自动点火、起飞、悬停、按照路径飞行、降落和熄火。最后采集了飞机的飞行数据，并对飞行数据进行了分析，对系统的控制性能做了总结。
【关键词】：四旋翼飞机 嵌入式系统 视觉 自动飞行
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题的研究背景与意义9-10
• 1.2 小型飞行器控制的研究现状10-11
• 1.3 嵌入式系统与视觉的应用11-12
• 1.3.1 嵌入式系统的应用11
• 1.3.2 机器视觉的研究与应用11-12
• 1.4 课题研究内容介绍12-14
• 第2章 小飞机的改进与嵌入式平台的搭建14-26
• 2.1 四旋翼飞机的组装与机械改进14-17
• 2.1.1 四旋翼飞机的组装与飞行测试14-15
• 2.1.2 飞机防撞装置的设计15-17
• 2.2 小飞机的调试与飞控参数的整定17-21
• 2.2.1 飞行调试与参数的确定17-19
• 2.2.2 飞机控制器所接收的信号的判断测量与确定19-21
• 2.3 基于 ARM 的 Linux 嵌入式开发环境的设计与实现21-25
• 2.3.1 开发板从 SD 卡启动的 Ubuntu 系统的制作21-22
• 2.3.2 超级终端 minicom 的搭建及交叉编译链的制作22-24
• 2.3.3 NFS 文件共享系统的建立24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 基于嵌入式系统的飞控平台的设计与实现26-41
• 3.1 项目硬件平台概要26
• 3.2 机器视觉硬件平台26-27
• 3.3 超声测高的硬件实现27-31
• 3.3.1 测距传感器的选型27-29
• 3.3.2 基于超声传感器的测高模块29-31
• 3.4 运用陀螺对高度数据校正的硬件实现31-34
• 3.5 OMAP3530 开发板设备驱动程序的移植与配置添加34-39
• 3.5.1 USB 转串口驱动的编译配置和添加34-35
• 3.5.2 有线网卡驱动的编译配置和添加35-37
• 3.5.3 无线网卡驱动的移植和配置添加37-39
• 3.6 Mega128 单片机输出控制信号的硬件实现39-40
• 3.7 本章小结40-41
• 第4章 小飞机控制平台软件设计与实现41-56
• 4.1 系统软件架构概要41
• 4.2 图像处理与飞机位置姿态的获取41-45
• 4.3 基于超声与陀螺的飞机高度测量的实现45-49
• 4.3.1 超声测距的 Windows API 串口编程实现46-47
• 4.3.2 运用陀螺对超声测高数据的校正47-49
• 4.4 图像进程与超声进程通信的实现49-50
• 4.5 PC 与 ARM 的 WIFI 通信的实现50-53
• 4.5.1 TCP 通信方式的实现50-52
• 4.5.2 UDP 通信方式的实现52-53
• 4.6 ARM 进行通信中转与控制任务的实现53-54
• 4.7 单片机输出信号控制飞机的实现54-55
• 4.8 本章小结55-56
• 第5章 飞行控制策略的设计与飞行试验56-66
• 5.1 四旋翼飞机的控制56-57
• 5.2 控制策略的设计57-59
• 5.3 飞行实验与参数的调试59-62
• 5.4 实验结果分析62-64
• 5.5 本章小结64-66
• 结论66-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 段勇;徐心和;;自主足球机器人视觉系统结构及关键技术[J];东北大学学报;2006年01期

2 李磊;熊涛;胡湘阳;熊俊;;浅论无人机应用领域及前景[J];地理空间信息;2010年05期

3 朱华勇;牛轶峰;沈林成;张国忠;;无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势[J];国防科技大学学报;2010年03期

  本文关键词：基于嵌入式系统与机器视觉的小飞机控制平台设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：387021