摘要：設計了一種以飛行機器人為實驗對象的綜合性實驗教學平臺。通過傳感器6軸運動處理組件MPU6050接口實現位姿的測量實驗;采用嵌入式ARM處理器STM32F103RE為控制器，經電子調速器控制機器人的4個直流電機，實現PID控制算法實驗;攝像頭OV2640采集視頻圖像，通過WiFi無線傳輸模塊傳送給上位機并顯示出來，實現無線網絡圖像傳輸實驗。實驗結果表明，平臺運行穩定可靠，適合作為測控類專業學生的綜合性實驗。

　　關鍵詞：飛行機器人;綜合性實驗;測控;實驗教學

　　綜合性實驗是指學生在掌握了相關基礎理論知識和技能后，綜合利用一門或多門課程知識對實驗內容、方法、技能進行綜合性訓練的一種復合性實驗[1-3]，綜合性實驗教學一直是高等教育實驗教學的改革方向之一。其備受重視的原因不僅體現在實驗內容、方法和手段的綜合性，更體現為對學生綜合能力、素質的培養，也是提高學生實踐能力、創新能力的重要環節[4]。教學與科研是高等教育的兩大職能，也是培養人才的兩大支柱，以科研成果反哺教學實現兩者的融合共建，可以進一步提高教學質量，促進高等教育的持續健康發展[5]。

　　基于此，我們在已有科研成果的基礎上，設計了一種綜合實驗裝置，用于測控類課程的實驗教學。相比于傳統的實驗對象，飛行機器人對學生而言新奇有趣，能激發他們的學習興趣。從以應用性為導向看，飛行機器人使用廣泛，可用于電力線路的巡檢、火災探測、地震現場勘測等監控任務，如果在其上加裝機械臂或手爪則可完成各種復雜性作業[6-7];從學科綜合性來看，飛行機器人融合了計算機、自動控制、檢測技術、無線通信等多個學科知識。因此，選用飛行機器人做綜合性實驗對象，適合當前測控類專業學生，滿足綜合性實驗教學需求。

　　1實驗教學方案設計

　　綜合性實驗教學方案的設計，要以學生已學知識為基礎，并對實驗內容、方法適當拓展，加深學生對學科相關知識的理解和掌握。用科研反哺教學時，要著重考慮科研成果的技術前沿性與學生的接收能力之間的矛盾，如果解決不好會使學生產生挫敗感，反而會降低他們對實驗的學習興趣。所以在設計時要使60%～70%的知識是課程已教內容，30%～40%的知識為拓展內容。采用模塊化的設計方案，在檢測技術、單片機原理與接口技術、電路分析等課程知識的基礎上，設計了位姿測量實驗;在自動控制原理、計算機控制技術、嵌入式系統等課程知識的基礎上，設計了控制算法實驗;在傳感器技術、工業網絡技術等課程知識的基礎上，設計了無線網絡圖像傳輸實驗。

　　這三個實驗模塊組成了整個綜合性實驗。飛行機器人本體主要包括：中心固定板、軸臂、電機底座、電機、旋翼等。采用十字交叉的4旋翼結構[8-10]，中心固定板和電機底座使用玻纖材料板，軸臂使用直徑12mm的碳纖維材料圓管，軸距390mm，電機選用銀燕直流電機(型號：AX2212，980kV)，旋翼選為9×6英寸，每個旋翼產生的升力為730g，則4旋翼飛行機器人的總升力為2920g。

　　將各部分組裝在一起，控制器采用嵌入式ARM處理器STM32F103VE，通過I2C總線與位姿傳感器6軸運動處理組件MPU6050接口實現位姿的測量[11];通過串行SPI接口無線收發模塊XL24L01-D03實現控制命令的收發及位姿參數的傳輸;通過串口UART及串口轉USB的電路與上位機電腦相連接。視頻采集電路的處理器采用嵌入式ARM處理器STM32F103RE，通過GPIO接口攝像頭OV2640;為方便調試需求，設計一個DB9連接的UART串口。

　　WiFi無線網絡電路通過STM32F103RE的SDIO接口WiFi模塊MR-09來實現，為保證信號的可靠接收、發送，在板上設計了一個天線。電子調速器選用30A好盈天行者，其主要技術指標為：(1)控制采用PWM波;(2)PWM波頻率為50Hz;(3)最大速度對應占空比0.1;最小速度對應占空比0.05;(4)最大短時電流40A;(5)最高轉速：210000rpm(2極);70000rpm(6極)。上位機監控程序基于VS.net平臺采用C#語言開發，上位機主要操作串口發送控制命令，接收位姿參數值，通過操控WiFi無線網卡來獲得視頻圖像，主要利用Socket來進行網絡編程。

　　2位姿測量實驗設計

　　飛行機器人主要檢測的位姿為歐拉角，4旋翼飛行機器人的歐拉角由3個參數構成，即圍繞旋翼前后軸(X軸)旋轉的滾動角(roll)，圍繞旋翼左右軸(Y軸)旋轉的俯仰角(pitch)，以及圍繞垂直軸(Z軸)旋轉的偏航角(yaw)[12]。MPU6050傳感器有以下技術參數：(1)內嵌三軸陀螺儀及三軸加速度計，陀螺儀范圍：±250、±500、±1000、±2000°/s，加速度范圍：±2、±4、±8、±16g;(2)16位ADC輸出;(3)I2C總線訪問;(4)供電電壓范圍：2.375～3.46V;(5)內置數字運動處理單元(DMP)，可以自動融合相關算法，直接輸出歐拉角。

　　根據MPU6050的數據手冊，其中，SDA接微處理器的40腳PE9，SCL接微處理器的39腳PE8;R17、R18為I2C總線的10kΩ上拉電阻。通過該I2C總線微處理器可以對MPU6050進行設置并讀取其檢測的位姿數據。

　　由以上技術參數可知，電源電壓可以工作在3.3V，不必再設計電源轉換電路;在±180°范圍內，16位數字輸出的分辨率在0.0055°，測量精度足夠高;選擇位姿傳感器MPU6050的一個很重要原因是內置DMP，可以直接得到位姿參數，不必再進行數字濾波及算法融合，而且廠家提供了DMP的庫函數，方便微處理器直接調用，故軟件設計不再贅述。

　　3控制算法實驗設計

　　飛行機器人的控制方法有很多，考慮到本綜合實驗平臺的設計要以學生已學知識為基礎，因此控制算法選用了經典的PID控制。盡管如此，為滿足部分學生對其他控制算法的實驗需求，在控制主板留有編程的接口，學生可通過ULINK編程器重寫控制部分程序，實驗其他控制算法。

　　控制器輸出50Hz的PWM波經4個電子調速器分別控制4個電機來改變位姿參數，再由位姿測量部分構成反饋，控制器根據計算的位姿誤差進行PID運算，得到控制量即4個電機的PWM占空比，從而完成PID控制過程。由于在實驗時需要學生了解PID的3個參數即比例、微分、積分常數對控制系統的影響，因此這3個參數為可改變的設置。

　　為此設計了無線通信模塊來完成這部分功能，將位姿參數傳遞給上位機，并將上位機的3個參數設置傳給控制器。XL24L01-D03是采用挪威NORDIC公司的NRF24L01p2.4G無線收發IC設計的一款高性能無線收發模塊，采用GFSK調制，工作在2400～2483MHz的國際通用ISM頻段，最高調制速率可達2Mbps。該模塊集成了所有與RF協議相關的高速信號處理部分，如自動重發丟失數據包和自動產生應答信號等，內部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口。為簡化設計內容，選用該模塊完成上述通信功能。

　　模塊的SPI接口用控制器的通用I/O口進行模擬，產生SPI通信需要的時序，完成通信功能。控制器通過連接PA6的IRQ查詢通信狀態。PID控制算法由軟件實現，為保證控制系統的采樣時間為常數，利用控制器的定時中斷功能，即PID控制軟件設計在定時中斷服務程序中。

　　控制器在進入中斷后，首先通過I2C總線讀取MPU6050測出的當前位姿參數值，再通過無線收發模塊XL24L01-D03將當前位姿參數值發給上位機，然后讀取存儲在本地的參考位姿值，計算位姿偏差，再讀取存儲在本地的PID常數，根據PID公式計算對應的4個電機的控制量，并將每個電機的控制量累加求和，得到每個電機的控制量，轉化為占空比后輸出PWM波控制電機，最后中斷返回。

　　4無線網絡圖像傳輸實驗設計

　　本實驗包括兩個主要部分，視頻圖像采集和網絡傳輸。視頻攝像頭的選型主要考慮，方便與嵌入式微處理器接口，采集的像素要盡量高，通過比較選用OV2640。考慮到無論視頻的采集還是傳輸都需要處理大量的數據，因此選用具有高速SDIO接口的嵌入式ARM微處理器STM32F103RE來單獨處理視頻數據。

　　進行無線網絡傳輸部分設計時，考慮到當前課程教學中多以WiFi網絡為主，因此采用WiFi網絡來傳送視頻圖像。為接口方便選用MR09WiFi模塊實現視頻圖像的無線傳送功能，MR09是臺灣USI基于Marvell8686開發的SPI和SDIO接口的WiFi無線模塊。

　　上位機在編程時串口利用了SerialPort控件，飛行控制的協議頭為“0x66”，位姿信號傳回的協議頭為“0x88”;圖像傳送時，先發表征圖片大小的數據，規定前8個字節用來表示圖片大小。上位機監控界面按功能分為以下部分：飛行控制、升力(油門)控制、位姿歐拉角、視頻監測設置、串口通信設置、視頻顯示。

　　5實驗步驟與結果

　　在實驗前，要先將飛行機器人上電，上位機連接無線通信模塊XL24L01-D03。然后按以下步驟進行實驗：(1)點擊圖7中的網絡設置按鈕，在彈出的界面中將上位機的無線網絡IP地址設定為“192.168.10.12”，訪問的端口設為8888;(2)點擊視頻采集按鈕，點擊拍照按鈕可獲得當前一幅圖像并在視頻框內顯示;(3)點擊串口設置下拉菜單選擇相應的串口設備，然后點擊打開串口按鈕，則會建立與飛行機器人測控部分的連接;(4)用鼠標雙擊飛行控制，在彈出的設置界面里輸入PID的三個常數值，然后點確定按鈕;(5)先將飛行控制中的滑塊拖至中間位置，然后由小到大拖動升力控制滑塊，這時機器人開始起飛;(6)拖動飛行控制中的滑塊，實現對機器人飛行運動軌跡的控制;(7)雙擊歐拉角部分會彈出位姿變化曲線。

　　6結語

　　對該綜合實驗平臺的多次測量結果表明，系統運行穩定，位姿參數的測量值準確，數據的記錄精確，且多次重復實驗所得誤差較小，視頻傳輸穩定，畫面流暢。位姿變化曲線能充分反映控制算法的效果，便于學生分析比較，適于作為測控類專業學生的綜合性實驗，具有一定的推廣價值和應用前景。

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