基于Odroid的四旋翼無人機教學平臺設計

羅 偲, 紀仁杰, 韓 彬, 劉永紅

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

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基于Odroid的四旋翼無人機教學平臺設計

羅 偲, 紀仁杰, 韓 彬, 劉永紅

(中國石油大學(華東) 機電工程學院, 山東 青島 266580)

以培養學生動手實踐能力、跨學科融合理論知識以及團隊合作意識為目標,構建了基于空中機器人的開放實驗室。該平臺的設計與搭建融合了機械、電子及計算機方面的知識。運用模塊化設計,為培養學生的創新實踐能力提供了良好的平臺。

無人機； 教學平臺； Odroid

機電一體化技術是一門涉及多學科、跨專業、應用廣泛的綜合性科學技術。其中涉及到了對機械工程、電路設計、計算機仿真等多門課程內容的理解與應用。但現有的教學平臺一般只側重對單一課程內容的實際操作,無法將所學知識作為整體在一個平臺上集中應用。近年來,隨著機器人技術的不斷發展,同時由于電子器件價格的持續降低,使得在機械電子工程專業開設機器人實驗逐步成為各個高校的選擇。四旋翼無人機教學平臺是一種基于Odroid嵌入式系統研制的無人機教學平臺,該平臺在結合機電專業多門專業課所需知識的基礎上,將機器人開發運用到教學中,不僅可以讓學生開闊眼界,對國際前沿的學科進展有所了解,還可以讓學生將書本中的公式和定理運用到實際科研中,在鞏固理論知識的同時提高了創新能力、動手能力以及團隊協作能力[1-3]。

1 無人機教學平臺整體框架

無人機教學平臺由四旋翼直升機機體、機器人著陸機構以及地面控制站3個部分構成(見圖1)。

圖1 系統整體結構連接圖

該平臺的特點是通用性強、擴展性高、易維護、兼顧教學與科研,同時由于四旋翼平臺采用開源的硬件與軟件系統,使得學生能夠針對自己感興趣的部分做二次開發,極大地提高了學生的科研熱情。

無人機平臺的空中單元硬件主要由機載處理器、飛行控制單元、通信單元以及動力單元組成,地面單元主要由地面控制站和通信單元組成。

(1) 飛行控制單元。飛行控制單元使用的是由瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH)同3D Robotics公司聯合開發的開源飛控Pixhawk autopilot (見圖2)。該飛控是一款雙處理器飛行控制器,主控制器是32 bit的 STM32F427 Cortex-M4 處理器,輔助控制器是32 bit 的STM32F103 處理器。Pixhawk的冗余設計使得如果主控制器發生故障,輔助控制器可以用來保證安全飛行,大大降低了學生在實驗時由于飛控硬件故障導致的意外。同時Pixhawk上還集成了姿態傳感器、磁場羅盤、氣壓計等,方便學生實時監控飛行器姿態[4]。飛行控制單元通過串口同機載處理器進行通信。

圖2 飛行控制單元接口定義

(2) 機載處理器?；贠droid的機載處理器是實驗平臺的核心,用以提高無人機的計算能力,以完成模式識別、目標跟蹤和路徑規劃等復雜計算機圖形學實驗。處理器(CPU)采用基于三星的Exynos5422,配備了4個RM Cortex-A15以及4個ARM Cortex-A7處理器,支持USB3.0、UART、Ethernet RJ-45等多種串行接口(見圖3)；存儲采用eMMC5.0標準的嵌入式存儲接口,接口速度達到每秒52 MBytes；網絡接口采用Realtek RTL8153接口,網口速率為10/100/1 000 M自適應；USB接口提供2個USB 3.0接口,1個USB 2.0接口；芯片尺寸:82 mm×58 mm×22 mm。

(3) 數據通信單元。該單元使用3D Robotics公司的數據傳輸模塊,發射功率為100 mW,空中數據傳輸速率可達250 kbit/s,傳輸距離在開闊區域中可達1 km。

(4) 地面站?？罩袉卧ㄟ^機載數據傳輸單元同地面端的飛行控制軟件建立連接。地面的控制人員可以通過顯示器實時獲取空中機器人的飛行參數、位置信息以及姿態數據。學生可以依靠所采集的信息對空中機器人進行路徑規劃、控制參數調整及圖像采集等操作。

2 四旋翼無人機數學模型

以E={XeYeZe}建立慣性坐標系,用B={XbYbZb}表示機體坐標系,則空中機器人的動力學方程可以表示為[5-6]:

(1)

其中φ,ψ,θ表示相對于慣性坐標系旋轉的歐拉角,UT表示4個電機的推力之和。電機的推力(UT)與電機的旋轉角速度(ω)相關,可表示為[7]:

(2)

其中沿偏航角(Yaw),滾轉角(Roll)和俯仰角(Pitch)的推力分量(UYURUP)可表示為:

(3)

機體坐標系下,繞3個軸的旋轉角速度則可表示為[8]:

(4)

3 軟件仿真

通過UART串口模塊,學生可以利用Matlab/Simulink和FightGear進行聯合仿真(見圖4)。學生可以根據無人機數學模型在Matlab/Simulink中搭建空中機器人的控制流圖,然后通過FligtGear進行實時仿真,在保證實驗安全的同時,可以更加直觀地觀察出所搭建系統的魯棒性以及可操控性[9-10]。

圖3 Odroid-XU4 處理器結構

圖4 Matlab/FlightGear 聯合仿真

4 硬件平臺調試

在完成軟件平臺的模擬仿真并確定無人機教學平臺各項飛行參數后,將在實際飛行器上進行驗證實驗。按照圖1所示的系統結構圖搭建出四旋翼無人機實驗教學平臺(見圖5 )。硬件調試過程分為無槳地面調試和帶槳空中調試2個步驟,同時所有參與實驗的學生全程均需佩戴安全防護面具及手套,最大限度地保證不發生安全事故[11-12]。

圖5 四旋翼無人機硬件實驗平臺

5 結語

以四旋翼無人機作為機電一體化實驗平臺,通過設計開發相關創新實驗,對機體結構進行力學分析,熟悉空中機器人在三維空間中的姿態變換,掌握常用的虛擬仿真軟件。同時以機器人為切入點,保持對所研究領域內最新成果的跟蹤,對于希望從事機械電子方向工作和研究的學生無疑能提供良好的指導。

References)

[1] 白永強,劉昊,石宗英,等.四旋翼無人直升機魯棒飛行控制[J].機器人,2012, 34(5):519-524.

[2] 岳基隆,張慶杰,朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析[J].電光與控制,2010,17(10):46-52.

[3] 宿敬亞,樊鵬輝,蔡開元.四旋翼飛行器的非線性 PID 姿態控制[J].北京航空航天大學學報, 2011, 37(9):1054-1058.

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[5] Kumar V, Michael N.Opportunities and challenges with autonomous micro aerial vehicles[J].The International Journal of Robotics Research, 2012, 31(11):1279-1291.

[6] 馮玉昌,門洪,史冬琳,等.四旋翼飛行器多功能實驗平臺設計[J].實驗技術與管理, 2015, 32(4):98-101.

[7] 楊希祥,郭正.依托浮空無人飛行器培養學生創新實踐能力[J].實驗技術與管理, 2015, 32(11):8-10.

[8] 劉吉軒.六自由度機器人綜合創新實驗[J].實驗技術與管理,2010,27(12):36-39.

[9] 鐘宜生.基于信號補償的魯棒控制方法[J].清華大學學報:自然科學版,2003, 43(4):536-542.

[10] Doyle C E,Bird J J,Isom T A, et al.An avian-inspired passive mechanism for quadrotor perching[J].Mechatronics,IEEE/ASME Transactions on,2013,18(2):506-517.

[12] Bachrach A,Prentice S,He R,et al.RANGE-Robust autonomous navigation in GPS‐denied environments[J].Journal of Field Robotics,2011,28(5):644-666.

Teaching platform design based on Odroid four-rotor UAV

Luo Cai, Ji Renjie, Han Bin, Liu Yonghong

(College of Electromechanical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to build students’ practical ability, cross-disciplinary ability and team work spirit, an innovative experimental platform is designed. To build this platform, students will use the knowledge in mechanical engineering,electrical engineering and computer science. By using modular design, it provides an experimental platform for improving students’ professional qualities and comprehensive innovative practical ability.

unmanned aerial vehicle(UAV); teaching platform; Odroid

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.041

2016-04-09

國家自然科學基金項目(51275529)；山東省高等學校教學改革項目(2012018)；中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201305)

羅偲(1983—),男,湖北武漢,博士,講師,主要研究方向為無人機控制技術.

E-mail：luo_cai@upc.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)11-0165-03