多旋翼自主飞行器的图像传输系统设计硬件子系统(附件)
1 引言 1
1.1 论文研究的背景和意义 1
1.2 多旋翼飞行器的研究现状 1
1.3 本文研究的主要内容 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统硬件总体方案设计 3
2.2 系统软件总体方案设计 5
3 各单元模块设计 6
3.1 微控制器模块设计 6
3.2 定位导航模块设计 8
3.3 超声波模块设计 11
3.4 数据采集模块设计 12
3.5 电机驱动模块设计 14
3.6 电源模块设计 15
3.7 航拍模块设计 16
4 四旋翼飞行器的制作和调试 18
4.1 四旋翼飞行器的制作 18
4.2 四旋翼飞行器的调试 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 A 飞行控制PCB图 26
附录 B 电路原理图 27 1 引 言
1．1 论文研究的背景和意义
随着社会的发展，无人机已经走进人们的生活，无人机被广泛应用在农业、军事、生活当中。应用无人机进行航拍监测是无人机用途的一个重要部分，如影视摄影、航拍风景片、航拍新闻采访、地形勘探、航拍景观、农田信息采集、生态环境监测、侦察破案、边境巡逻、军事侦查、海事侦查、保护野生动物监测、应急救灾、地震监测、核辐射监测，还有通过无人机航拍进行大气取样、资源勘探、环境监测、反恐、消防等方面有都很大的应用
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/> 随着社会的发展，无人机已经走进人们的生活，无人机被广泛应用在农业、军事、生活当中。应用无人机进行航拍监测是无人机用途的一个重要部分，如影视摄影、航拍风景片、航拍新闻采访、地形勘探、航拍景观、农田信息采集、生态环境监测、侦察破案、边境巡逻、军事侦查、海事侦查、保护野生动物监测、应急救灾、地震监测、核辐射监测，还有通过无人机航拍进行大气取样、资源勘探、环境监测、反恐、消防等方面有都很大的应用前景。然而，传统的无人机航拍一直未得到社会的全面推广使用，其最主要的原因是传统无人机成本过高，一般人无法承受购买无人机的费用，在使用过程当中也是耗油量过高，且用传统的无人机进行航拍由于体积大，导致其不能进入一些狭小的地方进行拍摄；运行过程中噪音大，容易影响别人的生活。本课题将研究基于多旋翼自主飞行器的图像传输系统设计，应用多旋翼自主飞行器作为航拍的载体，将大大减少航拍成本，使其航拍过程更加方便，可以完成传统无人机不能进入的区域进行航拍。多旋翼自主飞行器通常有三个或三个以上的旋翼，旋翼在旋转过程中，每个螺旋之间的距离固定不变。飞行器的飞行方向和飞行速度由旋翼的旋转速度来控制。本课题研究的是四旋翼飞行器，它是多旋翼飞行器其中的一种，它由四个旋翼的转速来控制器飞行器的飞行速度和航向。
通过四旋翼飞行器来完成航拍有诸多优点，首先四旋翼自主飞行器较传统的无人机成本大大减小，其次四旋翼飞行器体积小，结构简单，操控起来比较灵活，可以在户内和户外进行航拍任务，并且携带起来比较方便，可以轻易进入人不能进入的各种恶劣环境进行航拍，而且还可通过四旋翼进行航拍并将所得到图像进行实时传输。
1．2 多旋翼飞行器的研究现状
近年来，多旋翼飞行器一直深受国内外飞行器爱好者的追捧，根据飞行器旋翼的多少可以分为三旋翼、四旋翼，六旋翼，甚至还有八旋翼、十六旋翼，随着导航技术、电子技术和锂电池技术的发展，加上与低功耗控制器的完美配合，使得多旋翼飞行器在近几年内取得了突飞猛进的突破。许多研究机构以及高校都对多旋翼飞行器的使用价值和应用前景大为看好，在技术方面都取得了不错的进展，并出现了不少关于多旋翼飞行器的不少项目和研究论文。
目前，我国四旋翼飞行器正在迅速发展，2009年，沈阳自动化研究所成功研制了一款名为旋翼飞行机器人的四旋翼飞行器，成功通过了灾害搜救测试，并取得很好的效果，正在进行小规模的投入生产。近几年来无人机在我国更是取得重大突破，大疆公司是我国最先进的无人机研究公司，在多旋翼飞行器研究方面得到了全国乃至世界的肯定，全球有50%的民用无人机都来自大疆，其生产的80%的无人机都远销国外，该公司生产的无人机被硅谷认为能与苹果公司比较的世界级无人机，2014年被美国《时代》杂志评为全球十大创新工具第三。大疆公司拥有全球最先进的飞行控制系统，其研究的无人机操作简单、稳定性高，具备自动起飞、定点悬停、自动返航等功能，并且能够进行高清图像的实时传输。总的来说，近年来我国在多旋翼飞行器方面的研究成绩是有目共睹的，虽然无人机的研究在我国起步较晚，但是发展速度却是惊人的，现在国内关于多旋翼飞行器的研究已经处于世界领先水平。
国外对于四旋翼飞行器的研究起步较早，从上个世纪50年代一直到现在，不同概念的旋翼飞行器先后涌现出来，尤其加拿大生产的“CL-327和美国生产的“Cypher”等外形酷似飞碟的飞行器深受人们的喜爱，近年来，国外对四旋翼飞行器的研究也是取得了不错的成绩，佐治亚理大学成功制的一款名为GTMARS的飞行器能够自主巡航和降落，并且巡航速度很快；瑞士洛桑联邦科技学院研制了一款名为OS4的小型四旋翼飞行器，通过多种控制算法和基于惯性导航的自主悬停技术，该飞行器实现了室外和室内的完全自主飞行；宾西法尼亚大学研究的多机协调飞行器也是另一个特色。总的来说，国外对四旋翼飞行器的研究也是取得不错的进展，其研究主要集中在自主飞行控制系统、基于捷联式惯性导航系统和基于视觉的自主飞行控制技术三个方面。
1．3 本文研究的主要内容
本课题所要研究的四旋翼自主飞行器需要完成以下几步：首先将飞行器摆放在一个起飞点A点，然后通过遥控器控制，开启遥控器上的起飞按键，进行一键式启动，随后飞行器可以慢慢平稳起飞；在飞行过程中可以实现自主导航，然后飞向事先设置好的目的点B点，在以B点为中心一定范围内进行航空拍摄，并完成图像的实时传输；最后在完成拍摄任务后，飞行器自主平稳返回降落到A点。针对本课题要完成的任务，本设计将采用一款能够协调多个模块工作、运算速度以及反应能力较为较为迅速的处理器作为四旋翼自主飞行器的核心控制器，通过超声波、GPS、磁力计和气压计之间取长补短，共同作用完成四旋翼飞行器的自主飞行，并且能够通过四旋翼自主飞行器完成航拍，实现图像的实时传输。本设计所涉及的模块较多，其中有不少技术难点是本设计所要攻破的，以下是四旋翼自主飞行器在设计过程中将会出现的难点：
1、四旋翼自主飞行器的飞控系统是其在飞行过程中最为核心的系统，飞控系统主要由核心控制器和各种传感器组成，在四旋翼的设计制作过程中由于所要完成的任务不同，所需要的传感器也将会出现不同。针对不同的任务，对传感器要求的反应速度、计算速度等都是不同的，确保不会大材
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