飞行机器人测控综合性实验教学设计

　　摘要：设计了一种以飞行机器人为实验对象的综合性实验教学平台。通过传感器6轴运动处理组件MPU6050接口实现位姿的测量实验;采用嵌入式ARM处理器STM32F103RE为控制器，经电子调速器控制机器人的4个直流电机，实现PID控制算法实验;摄像头OV2640采集视频图像，通过WiFi无线传输模块传送给上位机并显示出来，实现无线网络图像传输实验。实验结果表明，平台运行稳定可靠，适合作为测控类专业学生的综合性实验。

　　关键词：飞行机器人;综合性实验;测控;实验教学

　　综合性实验是指学生在掌握了相关基础理论知识和技能后，综合利用一门或多门课程知识对实验内容、方法、技能进行综合性训练的一种复合性实验[1-3]，综合性实验教学一直是高等教育实验教学的改革方向之一。其备受重视的原因不仅体现在实验内容、方法和手段的综合性，更体现为对学生综合能力、素质的培养，也是提高学生实践能力、创新能力的重要环节[4]。教学与科研是高等教育的两大职能，也是培养人才的两大支柱，以科研成果反哺教学实现两者的融合共建，可以进一步提高教学质量，促进高等教育的持续健康发展[5]。

　　基于此，我们在已有科研成果的基础上，设计了一种综合实验装置，用于测控类课程的实验教学。相比于传统的实验对象，飞行机器人对学生而言新奇有趣，能激发他们的学习兴趣。从以应用性为导向看，飞行机器人使用广泛，可用于电力线路的巡检、火灾探测、地震现场勘测等监控任务，如果在其上加装机械臂或手爪则可完成各种复杂性作业[6-7];从学科综合性来看，飞行机器人融合了计算机、自动控制、检测技术、无线通信等多个学科知识。因此，选用飞行机器人做综合性实验对象，适合当前测控类专业学生，满足综合性实验教学需求。

　　1实验教学方案设计

　　综合性实验教学方案的设计，要以学生已学知识为基础，并对实验内容、方法适当拓展，加深学生对学科相关知识的理解和掌握。用科研反哺教学时，要着重考虑科研成果的技术前沿性与学生的接收能力之间的矛盾，如果解决不好会使学生产生挫败感，反而会降低他们对实验的学习兴趣。所以在设计时要使60%～70%的知识是课程已教内容，30%～40%的知识为拓展内容。采用模块化的设计方案，在检测技术、单片机原理与接口技术、电路分析等课程知识的基础上，设计了位姿测量实验;在自动控制原理、计算机控制技术、嵌入式系统等课程知识的基础上，设计了控制算法实验;在传感器技术、工业网络技术等课程知识的基础上，设计了无线网络图像传输实验。

　　这三个实验模块组成了整个综合性实验。飞行机器人本体主要包括：中心固定板、轴臂、电机底座、电机、旋翼等。采用十字交叉的4旋翼结构[8-10]，中心固定板和电机底座使用玻纤材料板，轴臂使用直径12mm的碳纤维材料圆管，轴距390mm，电机选用银燕直流电机(型号：AX2212，980kV)，旋翼选为9×6英寸，每个旋翼产生的升力为730g，则4旋翼飞行机器人的总升力为2920g。

　　将各部分组装在一起，控制器采用嵌入式ARM处理器STM32F103VE，通过I2C总线与位姿传感器6轴运动处理组件MPU6050接口实现位姿的测量[11];通过串行SPI接口无线收发模块XL24L01-D03实现控制命令的收发及位姿参数的传输;通过串口UART及串口转USB的电路与上位机电脑相连接。视频采集电路的处理器采用嵌入式ARM处理器STM32F103RE，通过GPIO接口摄像头OV2640;为方便调试需求，设计一个DB9连接的UART串口。

　　WiFi无线网络电路通过STM32F103RE的SDIO接口WiFi模块MR-09来实现，为保证信号的可靠接收、发送，在板上设计了一个天线。电子调速器选用30A好盈天行者，其主要技术指标为：(1)控制采用PWM波;(2)PWM波频率为50Hz;(3)最大速度对应占空比0.1;最小速度对应占空比0.05;(4)最大短时电流40A;(5)最高转速：210000rpm(2极);70000rpm(6极)。上位机监控程序基于VS.net平台采用C#语言开发，上位机主要操作串口发送控制命令，接收位姿参数值，通过操控WiFi无线网卡来获得视频图像，主要利用Socket来进行网络编程。

　　2位姿测量实验设计

　　飞行机器人主要检测的位姿为欧拉角，4旋翼飞行机器人的欧拉角由3个参数构成，即围绕旋翼前后轴(X轴)旋转的滚动角(roll)，围绕旋翼左右轴(Y轴)旋转的俯仰角(pitch)，以及围绕垂直轴(Z轴)旋转的偏航角(yaw)[12]。MPU6050传感器有以下技术参数：(1)内嵌三轴陀螺仪及三轴加速度计，陀螺仪范围：±250、±500、±1000、±2000°/s，加速度范围：±2、±4、±8、±16g;(2)16位ADC输出;(3)I2C总线访问;(4)供电电压范围：2.375～3.46V;(5)内置数字运动处理单元(DMP)，可以自动融合相关算法，直接输出欧拉角。

　　根据MPU6050的数据手册，其中，SDA接微处理器的40脚PE9，SCL接微处理器的39脚PE8;R17、R18为I2C总线的10kΩ上拉电阻。通过该I2C总线微处理器可以对MPU6050进行设置并读取其检测的位姿数据。

　　由以上技术参数可知，电源电压可以工作在3.3V，不必再设计电源转换电路;在±180°范围内，16位数字输出的分辨率在0.0055°，测量精度足够高;选择位姿传感器MPU6050的一个很重要原因是内置DMP，可以直接得到位姿参数，不必再进行数字滤波及算法融合，而且厂家提供了DMP的库函数，方便微处理器直接调用，故软件设计不再赘述。

　　3控制算法实验设计

　　飞行机器人的控制方法有很多，考虑到本综合实验平台的设计要以学生已学知识为基础，因此控制算法选用了经典的PID控制。尽管如此，为满足部分学生对其他控制算法的实验需求，在控制主板留有编程的接口，学生可通过ULINK编程器重写控制部分程序，实验其他控制算法。

　　控制器输出50Hz的PWM波经4个电子调速器分别控制4个电机来改变位姿参数，再由位姿测量部分构成反馈，控制器根据计算的位姿误差进行PID运算，得到控制量即4个电机的PWM占空比，从而完成PID控制过程。由于在实验时需要学生了解PID的3个参数即比例、微分、积分常数对控制系统的影响，因此这3个参数为可改变的设置。

　　为此设计了无线通信模块来完成这部分功能，将位姿参数传递给上位机，并将上位机的3个参数设置传给控制器。XL24L01-D03是采用挪威NORDIC公司的NRF24L01p2.4G无线收发IC设计的一款高性能无线收发模块，采用GFSK调制，工作在2400～2483MHz的国际通用ISM频段，最高调制速率可达2Mbps。该模块集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，如自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口。为简化设计内容，选用该模块完成上述通信功能。

　　模块的SPI接口用控制器的通用I/O口进行模拟，产生SPI通信需要的时序，完成通信功能。控制器通过连接PA6的IRQ查询通信状态。PID控制算法由软件实现，为保证控制系统的采样时间为常数，利用控制器的定时中断功能，即PID控制软件设计在定时中断服务程序中。

　　控制器在进入中断后，首先通过I2C总线读取MPU6050测出的当前位姿参数值，再通过无线收发模块XL24L01-D03将当前位姿参数值发给上位机，然后读取存储在本地的参考位姿值，计算位姿偏差，再读取存储在本地的PID常数，根据PID公式计算对应的4个电机的控制量，并将每个电机的控制量累加求和，得到每个电机的控制量，转化为占空比后输出PWM波控制电机，最后中断返回。

　　4无线网络图像传输实验设计

　　本实验包括两个主要部分，视频图像采集和网络传输。视频摄像头的选型主要考虑，方便与嵌入式微处理器接口，采集的像素要尽量高，通过比较选用OV2640。考虑到无论视频的采集还是传输都需要处理大量的数据，因此选用具有高速SDIO接口的嵌入式ARM微处理器STM32F103RE来单独处理视频数据。

　　进行无线网络传输部分设计时，考虑到当前课程教学中多以WiFi网络为主，因此采用WiFi网络来传送视频图像。为接口方便选用MR09WiFi模块实现视频图像的无线传送功能，MR09是台湾USI基于Marvell8686开发的SPI和SDIO接口的WiFi无线模块。

　　上位机在编程时串口利用了SerialPort控件，飞行控制的协议头为“0x66”，位姿信号传回的协议头为“0x88”;图像传送时，先发表征图片大小的数据，规定前8个字节用来表示图片大小。上位机监控界面按功能分为以下部分：飞行控制、升力(油门)控制、位姿欧拉角、视频监测设置、串口通信设置、视频显示。

　　5实验步骤与结果

　　在实验前，要先将飞行机器人上电，上位机连接无线通信模块XL24L01-D03。然后按以下步骤进行实验：(1)点击图7中的网络设置按钮，在弹出的界面中将上位机的无线网络IP地址设定为“192.168.10.12”，访问的端口设为8888;(2)点击视频采集按钮，点击拍照按钮可获得当前一幅图像并在视频框内显示;(3)点击串口设置下拉菜单选择相应的串口设备，然后点击打开串口按钮，则会建立与飞行机器人测控部分的连接;(4)用鼠标双击飞行控制，在弹出的设置界面里输入PID的三个常数值，然后点确定按钮;(5)先将飞行控制中的滑块拖至中间位置，然后由小到大拖动升力控制滑块，这时机器人开始起飞;(6)拖动飞行控制中的滑块，实现对机器人飞行运动轨迹的控制;(7)双击欧拉角部分会弹出位姿变化曲线。

　　6结语

　　对该综合实验平台的多次测量结果表明，系统运行稳定，位姿参数的测量值准确，数据的记录精确，且多次重复实验所得误差较小，视频传输稳定，画面流畅。位姿变化曲线能充分反映控制算法的效果，便于学生分析比较，适于作为测控类专业学生的综合性实验，具有一定的推广价值和应用前景。

　　参考文献(References)

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