多轴无人机灾情快速采集系统(论文)邓涛

1、多轴无人机灾情快速采集系统作者姓名:邓涛 专业班级:测控二班 指导教师:刘明哲摘要随着科技的发展，人们对信息获取的速度有着越来越高的要求。尤其是在灾情发生时，很多时候交通、通讯受阻，导致实时灾情无法获取，给救灾带来诸多不便。为此，利用航拍实时回传灾情成为有效的解决办法。本课题结合受灾地区、隧道、建筑室内等特定环境下勘查技术的发展需求，重点开展基于旋翼无人机（主要针对四旋翼）勘查的研究设计。设计出具有实际可操作性并基于旋翼无人机技术的勘查装置。通过借助旋翼无人机小巧灵活的特点，对旋翼无人机加装必要的勘查装置，并辅助相应的控制算法使无人机实现空中悬停、自动返航等功能，使其广泛用于山洪、泥石流等地质

2、灾害发生前后的灾情勘查，隧道及建筑室内的险情勘查，辐射环境应急、核电站巡检等，为应急救援活动及计划安排提供图片或视频支撑。通过图像处理，航拍的画面可以实时显示，并且可以将航拍的画面保存下来，利用软件可以随时调用、查看航拍的图像信息，如：飞行高度、经纬度、在Google地图上的地理位置等。关键词：旋翼无人机；航拍；回传画面；图像处理Fast Disaster Data Acquisition System Based on Multiaxial UAVAbstract:With the development of science and technology, people have more

3、 and more high on the speed of access to information request.Especially in a disaster, and many times traffic communication is blocked, lead to cannot obtain real-time disaster, bring inconvenience to disaster relief.Therefore, use UAV(unmanned aerial vehicle) get information be effective solutions.

4、Under the specific environment,UAV rotor craft can bring convenient for us.When the disaster happen we can know real-time disaster,its good for disaster relief.The UAV can achieve hovering ,automatic return, and other functions.UAV also can be used for the tunnel and the danger of building indoor ex

5、ploration, radiation environmental emergency plant inspection, etc.Above is the embodiment of the UAV flexible.This thesis mainly research has the practical value of the rotor machine is designed.How to design, to meet the requirements will be the content of this thesis focuses on,especially for qua

6、d-rotor Unmanned Helicopter.Through image processing, aerial images can be real-time display, and aerial images can be preserved, using the software can be invoked at any time to check the image information, such as: altitude,longitude,latitude and location on Google maps.UAV can help people,and the

7、re are many worthy of research and development for us.So,I hope the rotor craft can obtain a bigger development.Keywords:rotor craft;aerial photo;images back;picture processing目 录第1章 前 言11.1课题研究意义11.2旋翼无人机研究现状11.3本论文所研究的内容2第2章 旋翼无人机概述32.1 旋翼无人机分类32.2 总体概述42.2.1 关键技术指标42.2.2 飞行原理62.3 操纵注意事项6第3章 总体设计方

8、案83.1 设计目的83.2 设计要求83.3 设计方案83.3.1 可选方案比较83.3.2 整体工作流程9第4章 旋翼无人机构成134.1 飞行部分134.1.1 电机介绍134.1.2 电调介绍134.1.3 锂电池介绍144.1.4 桨与电机的搭配144.2 控制部分164.2.1 飞控原理介绍164.2.2 遥控器对旋翼机的控制174.3 定位系统194.4 航拍功能194.4.1 云台的工作原理194.4.2 画面回传的实现原理21第5章 航拍图像处理26成都理工大学2015届学士学位论文（设计）第1章 前 言1.1课题研究意义无人飞行器（英文全称Unmanned Aerial V

9、ehicle ，缩写UAV）是指具备动力装置，而不需要操作人员随其操作的飞行器，它利用空气动力来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行。随着科学技术的不断提高，无人飞行器得到了迅速发展，尤其在军事领域和民用方面都有着大量的应用，比如：应用于侦查勘测、数据采集、通信中继、灾情勘察、应急救灾等等，通过无人飞行器来完成以上任务，不仅操作灵活，降低成本，绿色环保，还可以避免一些潜在的人员伤亡。四旋翼无人飞行器（四轴）与其他飞行器相比，其优点在于构造简单、飞行灵活，较传统的直升机更容易接近任务目标。更重要的是，四轴飞行器的研究涉及到众多领域的高、精、尖技术，如：空气动力学、自动控制、自主导航、传感

10、技术等等；目前，随着传感器技术、计算机技术以及微电子机械系统的不断发展，四轴飞行器也为这些领域提供了一个综合的研究平台。因此，无论是科学研究，还是军事和民用，四轴飞行器都有着极高的研究价值。我国地域广大，自然条件复杂，是世界上自然灾害最为严重的国家之一。2008四川汶川以及2010年玉树连续发生了7 级以上地震，震后塌方和泥石流在给救灾带来困难的同时，也进一步加大了施救的难度，增加了施救者受伤的危险程度。虽然自然灾害的发生无法阻止，但是减少灾害带来的伤害是可以实现的，比如开发、利用一些无人驾驶的微型飞行器，对上述不可到达的危险领域进行探测和搜救即可减少伤害的发生。1.2旋翼无人机研究现状在四轴

11、飞行器的研究方面，目前欧美等发达国家走在全球前列。具有代表性的有：法国的AR.Drone四轴飞行器，德国的Quattrocopter四轴飞行器，宾夕法尼亚大学的HMX-4四轴飞行器，美国Draganflyer公司的DraganflyerIII四轴飞行器等。相比国外，国内在这一研究起步较晚。目前，仅有国防科学技术大学、哈尔滨工业大学以及上海交通大学微纳米科学技术研究院等有过相关文献的报导。同时，国内高校的有关研究更多停留在理论设计阶段或某一方面的研究，虽能实现简易的飞行，但是在飞行控制方面仍然较薄弱，控制精度等与国外有较大差距。 在我国，旋翼无人机实现“能够飞”已不是难事，难点在于“飞得好、飞得

12、久”。目前，最新的研究方向是朝着大幅提升旋翼机续航时间以及克服低空无人机获取图像时，畸变、光照变化和大型旋转角度引起的问题。其中，具有代表性的提升续航时间方案是通过所处不同的经纬度，利用太阳光使无人机能够获得太阳能，达到续航目的的技术，其研究最终目标要达到在全球各地都能进行依靠太阳能作动力持续飞行的计划。总而言之，要想实现无人机“飞得好、飞得久”，还有很多值得研究的地方。在商用领域，国内具有代表性的两家商用多轴飞行器公司是深圳大疆和零度智控。其中，大疆的四轴和飞控具有成熟的技术，该公司主要产品是搭载gopro摄像头进行航拍的四轴无人机，属于小型无人机。零度智控也是一家有着成熟技术的公司，该公司

13、能够提供更多的解决方案，稍大型的无人机航拍较大疆更丰富，如：六轴旋翼无人机、八轴旋翼无人机等。1.3本论文所研究的内容结合实际需求，在满足可行性和经济条件的前提下，设计出能够搭载微单进行航拍，实时采集图像信息并回传的旋翼无人机航拍系统。充分利用旋翼无人机航拍实时画面的便捷性、灵活性，以达到对地面信息的实时掌控。其中，本论文会详细地介绍旋翼无人机的情况（组成部分、飞行原理等）、航拍设备以及旋翼无人机的控制理论。本设计选用的方案是利用四轴旋翼无人机（以下简称四轴）搭载三轴无刷电机云台，挂载微单进行航拍采集画面。最大化的利用了四轴的起飞负载，是最具经济性的方案，在设计中主要针对以下两点：（1）由于通

14、常情况下，挂载微单的机架为六轴或者八轴，因此，本人在实际设计中，对云台进行了适合本四轴机架的设计以及对云台挂载件进行了重新设计，使其能够适应四轴机架。（2）为了使航拍画质稳定，对飞控和云台的参数作了仔细地调试。在剩下的章节中，将主要对该航拍系统的主成部分：飞行部分、控制部分、航拍系统作具体阐述，这也是旋翼无人机航拍系统的核心部分。第2章 旋翼无人机概述2.1 旋翼无人机分类旋翼无人机按照旋翼的数量不同可以分为不同的类型。常规的有四旋翼（简称四轴）、六旋翼、八旋翼等。其中，旋翼无人机按大小可分为微型无人机、中型无人机和大型无人机，这种分类不仅仅靠旋翼的数量决定，机架的大小、负载能力也是重要指标。

15、例如：微型旋翼无人机可能是四轴，也可能是六轴，常见的穿越机（FPV）就是四轴微型旋翼机,如图2-1；而本设计中的四轴是能够挂三轴云台，搭载微单的四轴,如图2-2，则属于中型无人机，其桨叶就有微型四轴整个的大小。除此之外，非常规机型也比较多。在旋翼的设计上不仅仅是传统的放置方法，在同一个机臂上可以上下同时放置两个电机、一对桨。例如：有种Y字型的机架看似三轴，如图2-3，但有三对桨，六个电机，却不能称其为6轴。这种Y型机架应用在微型旋翼机上动力很充足，负载大，灵活性较传统的微型四轴更好；同样，在中型机中也有利用安放上下电机的方式获得更强动力、更高稳定性的机型，但这对机架的强度要求较高，传统四轴机架

16、在没有改装的情况是不要冒然增加电机数量，否则可能导致机架强度不够，空中坠机的险情发生。在机型的类型选择上还有很多，就不再一一赘述。图2-1微型四轴 图2-2本次设计四轴图2-3“Y”型旋翼机2.2 总体概述2.2.1 关键技术指标（1）无人机飞行姿态数据的实时、准确获取是对无人机有效控制的前提和关键，姿态数据的准确性直接影响着无人机的控制平稳性和控制精度。在实际设计中，所采用的是零度S4V2这样一款飞控对四轴姿态实时控制。（2）旋翼无人机在空中飞行时，受机身自身结构影响及旋翼与空气相互作用产生的较大震动，在剧烈振动下如何拍摄出清晰、广角度的图片或视频是该系统的关键技术之一。为了达到拍摄的稳定性

17、，本四轴采用三轴无刷电机云台可以保证微单能够平稳的工作。（3）旋翼无人机在空中飞行时，易受天气条件影响。此外，在建立无人机动力学模型时，忽略了一些次要因素的影响，对模型进行了较大简化，是一个比较理想化的模型。如何在模型不够精确时，仍具有很高的可调性、可控性和较高的实时性，这是控制算法要解决的关键问题。（4）飞行器抗风性设计。系统抗风性间接与系统的阻尼比成正相关，即阻尼比越大，系统越趋于稳定，抗风性越强。但是，系统阻尼比增大时，系统重量会增加，相应无人机巡航时间会大幅减小。如何同时兼顾无人机有较强抗风性和较长的巡航时间是该系统的难点。通过理论分析和实际考察，列举如下主要技术指标与目前主流四轴的对

18、比表，如表2-1。表2-1主要技术指标对比表品牌名称大疆精灵3自行设计四轴自动返航功能具有具有悬停功能具有具有云台类型三轴（只能挂狗）三轴（能挂微单）是否携带显示屏否是最大飞行距离（水平）1000米700米最大飞行距离（垂直）2000米1000米续航时间15min10min起飞重量1.28KG3KG（含微单）最大上升速度5米/秒6米/秒最大下降速度3米/秒3米/秒云台增稳具有具有工作环境温度040040遥控器信号有效距离2000米（开阔无干扰）1000米（开阔无干扰）电池15.2V，4480mAh22.2V，5000mAh遥控器频率2.400GHz2.483GHz2.4055GHz2.475G

19、Hz图传频率2.4GHz ISM5.8GHz价格7499元6388元2.2.2 飞行原理（1）无人机的选择飞行器依据机翼类型可分为固定翼和旋翼飞行器。由于旋翼无人飞行器的控制较固定翼复杂，早期的技术水平无法实现飞行器的自主飞行控制，旋翼飞行器相对固定翼飞行器发展较为缓慢。然而，旋翼飞行器却有着独特的优点：机械结构较为简单，飞行较为灵活；不受较大机翼的限制，能够应用于各种环境中；具有自主起飞和降落的功能，系统高度智能，可实现较多的飞行姿态，且飞行器姿态保持能力较高。能实现固定翼飞行器难以实现的空中悬停，该姿态可以广泛用于野外勘查、搜救等活动中。四旋翼无人飞行器与其他飞行器相比，有着结构简单、飞行

20、灵活的特点。较传统的直升机更容易接近任务目标。此外，四轴飞行器拥有两对旋翼，一方面可以利用相互作用的原理来抵消掉各个旋翼产生的反桨矩，而不用像直升机那样需要特殊的尾桨来消除反桨矩；另一方面可以通过调节两对旋翼所产生的扭矩和升力大小，来控制飞行器的飞行姿态，而不用调节桨叶间的桨矩角，不仅使控制得以简化，还可以减轻飞行器的重量，减少能耗，延长航程。（2）四旋翼无人飞行器建模四旋翼无人飞行器的建模主要分为两部分：力学建模和运动建模。力学建模主要指四旋翼无人飞行器的物理主体，包括电机、旋翼和机架三部分。电机和旋翼为飞行器提供动力，机架是飞行的本体。动力器件提供动力使机架运动；运动建模主要包括两部分，第

21、一部分是角运动建模，指机体做俯仰、滚转、偏航运动。另一部分是线运动，即机体沿受力方向的运动。2.3 操纵注意事项首先，旋翼无人机不是普通的玩具飞机，无论是微型机、中型机还是大型机都不属于玩具类。因为，无论哪种机型电机的动力都远超玩具机，在高速旋转下桨叶具有很强的杀伤力，特别是中型机和大型机，在配备高强度的碳桨后杀伤力更大。因此，操纵无人机的人员要有一定的操纵经验，不可掉以轻心。其次，起飞前应对飞行器进行检查，避免因小故障导致严重后果；非专业人士在操纵时避免在人群集中地，以免出现紧急情况难以处理。最后，由于旋翼机是由遥控器远程控制，不能在机场附近（信号干扰飞机）及禁飞地区飞行。在选择遥控器频率及

22、图传频率时要遵循国家法律法规，不可选择未经允许的频段。第3章 总体设计方案3.1 设计目的对旋翼无人机进行研究学习，了解其原理。在掌握旋翼机的原理后设计出一款能够进行航拍并应用到实际中的旋翼无人机航拍系统。在实际应用中，主要针对如何解决地质灾害发生时，由于交通、通信的中断导致灾情无法及时获取时的难题；利用四轴旋翼飞行器的灵活、便捷的特点，及时获取灾情信息，能够给救援提供重要的参考价值，也有利于监控灾情做好防范准备。3.2 设计要求（1） 设计一款旋翼无人机，并且能够挂载微单进行航拍；（2） 拍摄的画面要实时回传到地面，以便能够观察到航拍区域的地面情况；（3） 航拍的画面要清晰稳定，能显示出旋翼

23、机的高度，实时电量等基本信息，以便地面能够对其工作状态做出判断；（4） 能够实现悬停、返航等工作指令。其中，在悬停状态下能够调节云台旋转、俯仰，让微单能够从不同角度拍摄地面。3.3 设计方案3.3.1 可选方案比较根据课题要求可考虑四轴配15寸桨或者六轴搭配10寸桨的方案搭载微单进行航拍图像采集。在综合考虑成本因素后决定采用四轴搭载微单的方案，该方案较六轴方案能节省30%经费，且能满足搭载微单的要求，唯一的缺点就是起飞重量为3KG，基本达到满负载的情况，在操纵上要有一定技术要求。航拍最关键的就是要保证图像的稳定（不抖动）、清晰，这对飞行器的稳定性有较高要求。克服这个难点要对所拼装的飞行器整体有

24、所了解，电机的KV值和桨的尺寸要匹配，机架要选择与整体方案相符的机架，飞控的调试也是关键的一环（要设定和该机架相符的参数）；在完成这些步骤之后，云台的悬挂和挂载的摄像机要保证合适的位置（重心不能偏移）；最后，整机起飞重量是一个关键指标，它意味着这台航拍器是否能够安全起飞及其续航能力，六轴虽然动力更大，但负重也较四轴大，如果六轴配置不合理依然无法满足要求。因此，尽量减少不必要的配重也是关键。综合以上要求，采用四轴低KV值电机配大桨的方案能够满足条件，其中解决关键因素的具体方案将在下一章详细讲解。3.3.2 整体工作流程四轴无人机的四个电机提供所有动力，电机和电调相连接，电调接电源（22.2V锂电

25、池）。其中，电调是调节电压大小的器件。所谓遥控器控制的油门其实就是对电调的控制，电调给电机提供的电压越大，电机转速越快，动力越强。电调与飞控相连接，接收机也和飞控连接，这里只作简单说明，下一章将会对整个四轴详细描述。电机工作流程示意如下：遥控器在地面控制接收机电源（6S动力电5000mAH） 发出指令 传 递 分别与四个电调相连飞控（核心） 控制 电调连接飞控 电调四个电调 电调 改变电压大小控制电机转速15寸碳桨15寸碳桨 连 接四个电机 15寸碳桨15寸碳桨 在满足能够空载稳定飞行的前提下，测试GPS工作状态，保证GPS的正常、准确的定位是航拍的关键。GPS配合OSD模块可以显示四轴的飞行

26、高度（在显示屏上显示），悬停、自动返航等功能也离不开GPS的支持。GPS工作流程示意如下：卫星信号 电源（6S动力电5000mAH） 接收、处理飞控电源模块GPS模块 采集的信息传给飞控飞控（核心）GPS的核心作用是定位，将采集到的定位信息传递给飞控，飞控可以在收到遥控器发送的具体指令后进行悬停、返航等功能。特别说明一下，飞控自身对四轴飞行姿态的调整（增稳）并不需要GPS的参与，但该飞控必须接上GPS才会开始工作。整个航拍系统是画面采集的核心部分，该系统工作的稳定情况直接决定最后航拍画面的效果。航拍系统工作流程示意如下：图传、云台电源模块电源（6S动力电5000mAH）显示屏（无线接收） 供

27、电 OSD模块（飞控供电）图传、发射 接收 信号 发送GPS和图像信息飞控（核心）转AV信号 飞控发送GPS信号三轴云台输出微单 控制云台 方向、俯仰遥控器 接收机 发送信号以上是该四轴核心部分的工作流程图，可以将以上各部分的工作情况整合、简化，形成四轴的整体工作流程示意如下：简化后的整体流程，各部分单独供电模块近似看成由动力电直接供电；所有图示中虚线代表无线连接或接收；飞控传送的GPS信号实际是传送给OSD的，地面显示屏和接收器是一体的，所以，可以直接在显示屏上看到图像。第4章 旋翼无人机构成4.1 飞行部分4.1.1 电机介绍旋翼无人机的飞行动力全部来自电机旋转带动桨叶所产生的升力，当升力

28、大于自身重量后便可以起飞。电机分为无刷电机和有刷电机，无刷是四轴的主流，都是转磁式的，而且大部分是外转子。它扭力大，耐用。不同电机有不同的型号，人们经常所说的2212电机，2018电机等等，这其实指电机的尺寸。无论哪种电机，都要对应这4位数字，其中前面2位是电机定子的直径，后面2位是电机定子的高度。注意，不是外壳尺寸，如图4-1。图4-1电机尺寸示意图 简单地说，前面2位越大，电机越宽，后面2位越大，电机越高。 又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴。 通常2212电机是最常见的配置。本四轴采用的是4008电机。4.1.2 电调介绍电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电压的大小，以控制电

29、机的转速。因为电机的电流很大，通常每个电机正常工作时，平均有3A左右的电流，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流，也没驱动无刷电机的功能。同时，电调在四轴当中还充当了变压器的作用，将11.1v（通常为3S动力电，本四轴是6S，22.2V动力电）的电压变为5V为飞控板和遥控器接收机供电。那么，如何选择电调的大小呢？电调都会标上多少A，比如：20A，40A 这个数字就是电调能够提供的电流。大电流的电调可以兼容在使用小电流的地方，小电流电调不能超标使用。因此，电调一定要选择合适的，否则会烧掉电机。其次，电调还有编程功能，主要是针对电调响应速度的调节，四轴需要快速响应的电调。本四轴选用4

30、0A电调。4.1.3 锂电池介绍电机转动需要动力电供电，一般都采用锂电池。根据不同的需求选用不同的锂电池常见为2S，3S，6S，一个S代表3.7V，容量大小从几百毫安时到上万毫安时都有，选择比较灵活。本次设计的四轴采用6S，5000毫安时航模动力电。值得一提的是，锂电池在使用中一定要注意电压不能过低（低于3.7V），也不能过高（高于4.2V），否则会导致过放或过充，损坏电池，减少使用寿命。为了更合理的使用电池，充电时一般都用平衡充的方式。所谓平衡充是指，在充电过程中使锂电池的每一片电池的电压都保持一致。比如：对6S电池而言，它有六片电池，当充满后每一片都是4.2V，总电压25.2V。在平衡充的

31、过程中，若发现某一片电池电压为4.17V而其它电池为4.18V，则停止对其它电池充电，优先对低电压的充至与其它电池电压相同的情况下再对其它电池充电。而传统的充电方式，只能保证最终的电压能够达到25.2V，不能保证每一片电池电压均为4.2V，这样一来很容易导致某一片或几片电池过充，而另外的电池电压不够4.2V，进而影响电池使用寿命。4.1.4 桨与电机的搭配要想获得足够的飞行动力，除了选择电池和电机外，还有一个最要的装置，那就是桨叶。桨叶包含的东西很多，这里简要介绍一下所设计的四轴选用桨叶遵循的规则。首先，桨叶的材质常见的有塑料、碳纤和木质。在旋翼机上塑料桨和碳桨用的比较多。塑料桨的优势是价格便

32、宜，强度没有碳桨强，大中型的旋翼机上多采用碳桨。该四轴采用的是1555碳桨。其中，“15”（前两位数字）代表桨的直径（单位：英寸），后面两位是桨的角度。桨的好坏直接关系到旋翼机的飞行状态，特别是对于需要航拍的旋翼机，如果桨的许用不平衡量太大，会导致机身整体抖动，这种抖动是由桨叶引起的，无法消除，势必会影响航拍的画面质量。其次，桨的动平衡和静平衡也是衡量桨的重要指标，高精度的桨和劣质桨价格差距很大，同样材质的桨也有很大差距。随着转速提高，要求的平衡精度急剧提高，如图4-2所示。图4-2桨叶技术指标理论值四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹，

33、从旋转下方看，顺时针旋转的叫正浆、逆时针旋转的是反浆。安装的时候，无论正反桨，朝上的一面不能装反（桨叶上翘的一端要和电机旋转方向一致）。最后，电机与桨的搭配也是很重要的一环。电机有个重要指标KV值，KV值是指外加1V电压对应电机每分钟空转的转速，例如：500KV电机，外加1V电压，电机每分钟空转500转。本四轴的电机KV值是380，属于低KV电机。桨叶与电机搭配最基本的原则就是低KV配大桨，高KV配小桨，因此，该四轴所配的15寸桨也是符合基本规则的。如果桨和电机的搭配不合理轻则会导致电机发烫、动力不足；严重则直接烧掉电机和电调。4.2 控制部分4.2.1 飞控原理介绍飞控是整个四轴的核心，好比

34、计算机的CPU。如果没有飞控板，四轴飞行器就会因为外界干扰、安装、零件之间的误差等原因形成飞行动力不平衡，后果就是上下、左右的胡乱翻滚，根本无法飞行。因此，飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪等传感器，对四轴飞行姿态进行快速调整，若发现右边动力大，则向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不会向左倾斜。如果飞控板安装错误，会剧烈的晃动，根本无法起飞。飞控根据其功能的多少价格差距很大，从几十元到上万元不等。因此，需要选择适合自己要求的飞控，以免造成经济浪费。本四轴选用的是零度智控S4V2飞控，能够满足所需要求，如图4-3为主控制器，通过与其它模块连接，配合外围电子设备实现稳定

35、飞行的功能。图4-3飞控主控制器一般飞控支持多种飞行模式，常见的有“X”模式和“十字”模式，“X”模式更稳定，“十字”模式更灵活，本四轴采用“X”模式。如图4-4和图4-5所示，分别为“X”模式和“十字”模式。 图4-4“X”模式 图4-5“十字”模式飞控内部集成了很多传感器和处理器，实时分析、处理飞行的数据，采用PID控制。通过引入四个控制量（u1，u2，u3，u4），可以把非线性耦合模型解耦成四个独立的控制通道，四轴系统可以被描述为由角运动和平移运动这两个子系统组成，角运动影响平移运动，而平移运动不会影响角运动，如图4-6所示关系。图4-6四个控制量的相互关系因此，飞控的控制是先控制俯仰和

36、横滚运动，再控制前后左右的平移运动。PID控制系统主要包含两个控制回路：一个是飞行器姿态控制回路；另一个是飞行器位置控制回路。由于姿态运动模式的频带宽，运动速率快，所以姿态控制回路作为外回路。位置控制回路的控制指令可以预先设置或者由导航（GPS）系统实时产生。位置控制回路可以使飞行器能够悬停在制定位置或者按照设定好的轨迹飞行。姿态控制回路的作用是使四轴保持稳定的飞行姿态。若两个控制回路同时产生控制信号则四个旋翼的转速分别作相应的调整，使得四轴能按指令稳定飞行。四轴反馈控制系统的结构框图，如图4-7。在该四轴上，飞控配合地面站调参，设定适合该四轴的参数，使飞行更稳定。在起飞时，还需要解锁飞控，这

37、点是为了防止误操作带来的意外事故。4.2.2 遥控器对旋翼机的控制在四轴中使用RC发射机来控制四轴。RC英文全称remote control，RC即“遥控”的英文缩写。在四轴上安装有RC接收机，接收机与飞控连接。根据实际需求，遥控器有不同数量的通道，需求越多通道要求也越多，本四轴采用8通道遥控器。通道可以理解为遥控器可以控制的动作路数，一个通道对应一个控制接口和一个被控制设备，比如：升降、前后、左右、旋转，这就是4个动作路数，因此占用了4个通道，所以，四轴最低要求就是4通道遥控器。在遥控器界面，处理摇杆所控制的通道外，还有很多开关通道和比例通道（由旋钮控制）。如，一个两段开关（有两个可移动位置

38、，上拨和下拨），可以对应一个降落伞舵机通道，上拨为开伞，下拨为关伞（仅作用于固定翼，本四轴无此功能）。本四轴的开关通道用作混控，改变飞行模式。图4-7四轴反馈控制系统所谓混控是指希望达成的最终效果，由两个或两个以上通道完成（通常为两个通道合作完成）。比如，本四轴采用5通道和6通道混控的方式改变飞行姿态（都是两段开关），当5通道和6通道都上拨的时候四轴处于自稳状态；5通道下拨，6通道上拨，四轴处于悬停状态。旋钮控制比例通道，本四轴应用了两个比例通道，控制云台旋转和俯仰。遥控器除了通道需要了解外，日本手和美国手也需要区分。油门在右手边的是日本手、在左边的是美国手，本四轴是日本手遥控器。在这一点的选

39、择上无任何要求，只要符合自身习惯就好。4.3 定位系统定位系统的核心部件是GPS模块，其作用是GPS定位和识别航向，配合OSD可以将四轴飞行的高度等与GPS信息相关的数据显示在地面显示屏上。GPS安装时位置要固定，否则会导致定位不准，在悬停状态若在空中不停地画圈则表示GPS安装有问题，需要重新调整。此外，GPS为磁敏感设备，安装时使用支架架高，远离飞控等电磁干扰，并且只有当卫星定位在5颗以上才能正常工作。GPS模块，如图4-8。图4-8 GPS模块4.4 航拍功能4.4.1 云台的工作原理云台是航拍的重要设备，可以很好解决抖动的问题，让航拍画面更稳定。图4-9是云台安装示意图，云台就是通过三个

40、电机不断调整姿态保持稳定。图4-9云台安装示意图云台在安装好以后，还不能正常使用，初始参数往往不适合自己的设计。因此，调参是必要的过程。云台也是采用PID控制，值得一提的是，地面调参稳定后，上天也许会出现抖动，因为在地面上电机并未高速旋转，电机的抖动是否会影响云台在地面无法知晓。所以，云台调参并没有飞控调参容易，持续时间相对较长。如图4-10，是云台调参软解界面。图4-10云台调参软件界面4.4.2 画面回传的实现原理当前面的准备工作都就绪后，航拍画面回传是最后需要解决的问题了。这部分原理很简单，首先，微单将采集的画面通过HDMI转AV信号线输出给OSD，OSD模块将GPS信号和画面整合；然后

41、，通过5.8G图传发射；最后，地面通过无线接收，接收到信号后显示在显示屏上，就可以看到整个航拍的画面了。在图传部分，需要注意频率的选择。本四轴图传选用的频率是5.8G，这个频率段有它的不足，但也有它独到的好处。先介绍下1.2G和2.4G这两个频率段。首先，1.2G这个频率段上我国还没有开放性的业余频段，只提供给取得资格证书的无线电爱好者使用权，未经授权的使用可能造成违法行为。对于通信而言，不同的通信频率互相干扰，究其根本就是信噪比的问题。比如：信号功率强度是噪声强度的1000倍，那么这个信噪比就是30db，信号就很容易分辨出来。对于无线电波来说，有个很好的特性，就是它有频率特性，有种设备叫做滤

42、波器，它对特定范围的频率很敏感，比如说2.4G的带通滤波器，它只对2.4G的100Mhz的范围敏感，所以其他频段的信号就很难干扰到它。但滤波器的性能也不是绝对的，它的滤波特性只是说滤波后信号强度变成了多少倍。比如说，他对2.4G信号是完全无阻碍的，但是对1.2G信号，可能是1000倍，也就是说，1.2G的信号还是能渗透一点点进来的，只是很弱而已。实际中，1.2G图传其实可以应用，最大的问题就是国家没开放。再说2.4G频段，这个频段对无人机来说很敏感，因为遥控器很多都是这个频段，如果图传选择这个频段被干扰的几率很大。虽然遥控器和图传可以跳变频率，但频点很容易交叉，而且就算自己通过技术上的处理，自

43、身的遥控器和图传不会干扰，也难以保证他人的遥控器不会对你造成影响。因此，简单地说，不用1.2G的原因是国家暂未开放相关频率段，2.4G可能与遥控器造成相互干扰。那么，还有个频段433M。这个频段穿透能力（绕射）很强，并且是开放频段，可以使用。但是，它有个致命的缺点，那就是乱。由于频率相对不是很高，设备成本较低，天线容易小型化，方便携带和安装，因此，成为业余无线电中最拥挤的频段。如：手持的对讲机功率在5W以内很常见；车载设备30W很平常；中继台50W以上也较为常见。如果在大城市，用433M频段无异于刀尖起舞。图传的功率很小，在几十瓦的功率面前真是不值一提。在有干扰的情况下，仅在地面调试正常，不足

44、以说明问题，等距离拉开后后果就严重了，因为有种现像叫压制，比如在路上开车听收电台，偶乐会遇到两个电台同频，然后收音机在两个电台之间随着两相信号的强弱变化，交替接收。除非你真的确定，所处地没有干扰源存在。最后，5.8G这个频段是国家划分的开放业余频段，另外，频率高天线可以更容易小型化，目前工作在5.8G的设备较少，这个频段相对比较纯净，干扰较少。但有利有弊，频率越高电子器件的造价越高，对天线等设备精度要求更高，更容易发热，对靠近发射机的导磁体比低频更敏感，做大功率更加困难等。但5.8G足以满足本设计的需要，相比之下它是最佳选择。图传设备，如图4-11。图4-11图传发射模块此前，在航拍工作流程图

45、那里描述了整个航拍的工作流程，为了更加具体的说明图传的工作方式，下面列出图传单独完成图像传送的过程图：至此，整个四轴航拍系统设计、调试完毕。以下是四轴调试和试飞的截图。航拍截图：调试过程：第5章 航拍图像处理以上章节实现了航拍图像的实时呈现，接下来可以将图像进一步处理，以便后期查看。首先，把航拍的视频存储下来，航拍视频的存储不仅仅要保存图像信息，还要保存显示频上的高度，经纬度等信息，这就需要外加DVR（数字视频录像机）模块实现此功能。普通的显示频仅仅起到显示图像的作用，不带视频录制功能，而集成了DVR的显示频可以将显示在显示频上的画面录制下来（包括高度、经纬度等信息）。简单地说，相当于在地面可

46、以操作微单上的录像功能。录制下来的视频画面如图5-1，和显示屏实时看到的画面一样。图5-1视频界面其中，LAT代表纬度，LON代表经度。最后，航拍的实时地理位置也是很有用处的一点。要实现无人机地理位置的显示，可以采用两种方案。第一种，采用GIS（地理信息系统）采集器，将旋翼无人机上的GPS信号导入GIS采集器，在GIS采集器上可以显示无人机的地理位置。这种方法实现比较简单，显示的地理信息很全面，但GIS采集器价格比较贵，地理信息多数只能以拍照方式保存。第二种方案，利用Google地图实现地理信息的显示。这需要在电脑上安装Google地图以及GPSGate这两款软件，使用能够传输NEMA数据的G

47、PS外接设备，将无人机上的GPS信号传送到地面，在Google上显示实时地理位置。同时，电脑桌面可以开启视频录制，将实时地理信息以视频方式保存，便于以后查看。地理信息如图5-2所示。图5-2地理信息结论本次设计的四轴无人机航拍系统总体满足设计要求。能够搭载三轴云台挂上微单进行图像采集并回传画面，同时，悬停和自动返航的功能也可以实现，能达到基本的使用条件。回顾整个毕业设计，仅实物制作从头到尾接近两个月的时间。在这两个月里，我对旋翼无人机的航拍有了全面的认识，虽然本人以前接触过小型穿越机，但这种中型机以及航拍系统还是头一次接触，其中有很多不一样的东西值得学习。在四轴整体调试完试飞的时候，如果没有较

48、多的飞行经验切不可冒然操纵。本四轴起飞重量达3KG，几乎达到了四轴满载的起飞重量，因此在运动中惯性较大，飞行速度不可太快，飞这类机型要有一定的经验。航拍的图像在显示屏上显示后有一定水纹，这点未能完善，在航拍的过程中尽量远离有信号干扰的地方，如：通信基站、磁场较强区域等。轻则图传画面会出现拉扯状；重则导致飞控和GPS受干扰，无法正常飞行。四轴的机架是碳纤机架，由于PCB版嵌入安放飞控的底板，导致底板是玻纤材质，其强度比碳纤低。但其下端又和脚架相连，属于承重部分，因此，这个底板强度不够，理应设计为双层板。所以，在四轴降落时要轻轻落地，否则会对底板造成较大压力。通过这次毕业设计，我对所学知识的实际应用增添了不少经验。比如：单片机、传感器这些电子器件在四轴上应用很多；飞控的PID控制理论也让我在实践中又学习了一次自动控制原理。然而，对我而言，最重要的并不是强化了已知的知识，而是学会了如何学习不会的东西。这个四轴无人机航拍系统对我本人的规划能力，学习能力有了很好的锻炼。如何从整体规划事物？如何纠正错误？如何克服困难？这些才是这次设计获得的最宝贵的财富。致谢也许这是我大学最后一份“作业”，但这次我并没把它当作作业对待。何为大学？高考完，我对大学充满了期待，如今我也找到了自己的答案