基于FPGA的四旋翼無人機(jī)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

陳家林 包諦 牛炯 陳震

摘要：為加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，融合自動化專業(yè)理論與實(shí)踐技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的能力，構(gòu)建了基于FPGA的四旋翼無人機(jī)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺的設(shè)計與搭建融合了嵌入式技術(shù)、控制理論、基礎(chǔ)電、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、計算機(jī)控制等多門課程。運(yùn)用模塊化設(shè)計，在一個平臺上實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自由組合和分解，為學(xué)生提供了新的仿真和實(shí)踐平臺，完成了一體化綜合教學(xué)平臺設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);教學(xué);創(chuàng)新;一體化

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）39-0266-02

一、引言

無人機(jī)是一種體型較小、無人駕駛，能夠在空中實(shí)現(xiàn)自主飛行并執(zhí)行一定任務(wù)的飛行器。無人機(jī)與普通飛機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，便于制造和維護(hù)。四旋翼無人機(jī)與普通無人機(jī)相比故障率低，并且在單位體積內(nèi)能夠產(chǎn)生更大的升力，適合在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。自主四旋翼無人機(jī)在遠(yuǎn)程偵察、監(jiān)控、軍事等領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。自動化專業(yè)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺一般只側(cè)重于對單一課程內(nèi)容的實(shí)際操作，無法將所學(xué)知識作為整體在一個平臺上集中應(yīng)用，形成一個功能相對完整的自動控制系統(tǒng)。近年來隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)開始應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，使得自動化專業(yè)開始把無人機(jī)實(shí)驗(yàn)納入各個高校的課程體系。上海交通大學(xué)以STM32系列ARM芯片作為主控芯片成功將四旋翼飛行器運(yùn)用于實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)了學(xué)生對計算機(jī)控制和空氣動力學(xué)的興趣。中國石油大學(xué)基于Odroid開發(fā)了四旋翼無人機(jī)并構(gòu)建了基于空中機(jī)器人的開放實(shí)驗(yàn)室，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力提供了良好的平臺。四旋翼無人機(jī)是當(dāng)今國內(nèi)外各大高校的研究熱點(diǎn)，屬于自動化專業(yè)的前沿領(lǐng)域。具有涉及課程多、研究內(nèi)容新、實(shí)用領(lǐng)域廣等眾多特點(diǎn)，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、驗(yàn)證理論知識等都是一個得天獨(dú)厚的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

二、四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計

四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)模塊（圖1所示）主要由以下幾部分組成：飛行控制器、電調(diào)、無刷電機(jī)、螺旋槳、電池、地面控制站和無線遙控器。

四旋翼無人機(jī)主要依靠四組無刷電機(jī)驅(qū)動平衡4個螺旋槳產(chǎn)生的升力及力矩來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定盤旋和精確飛行。通過無線遙控器手柄可以做出前后、垂直、傾向運(yùn)動，或者通過飛行控制器實(shí)現(xiàn)自主飛行。四旋翼無人機(jī)采用對槳設(shè)計，任意相鄰的兩個槳葉分別為“順時針+逆時針”旋轉(zhuǎn)組合，這種組合有效地克服了單螺旋槳造成的自旋不穩(wěn)定效應(yīng)，保證了無人機(jī)平穩(wěn)流暢飛行。以四旋翼無人機(jī)為平臺結(jié)合不同的應(yīng)用功能模塊，進(jìn)行二次開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，包括航拍、運(yùn)輸、搜救等。

1.硬件系統(tǒng)。四旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要由七部分構(gòu)成，包括主控制器、傳感器系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、人機(jī)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)。

2.軟件系統(tǒng)。四旋翼無人機(jī)飛控軟件系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示，主要包括驅(qū)動層、分析層、控制層和應(yīng)用層。無人機(jī)軟件系統(tǒng)集成了加速度計、陀螺儀、地磁傳感器、氣壓計等各類傳感器驅(qū)動。飛控系統(tǒng)將無人機(jī)的姿態(tài)、高度等狀態(tài)信息實(shí)時傳遞給軟件分析層進(jìn)行分析、解算和定位，無人機(jī)控制層進(jìn)行飛控算法處理和運(yùn)算協(xié)調(diào)，無人機(jī)四個直流無刷電機(jī)保證無人機(jī)的飛行姿態(tài)。軟件系統(tǒng)通過應(yīng)用層使無人機(jī)應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

為了使學(xué)生能夠更容易地實(shí)時監(jiān)測飛行器的各個狀態(tài)信息，同時便于進(jìn)行無人機(jī)的調(diào)試，需開發(fā)無人機(jī)地面控制上位機(jī)。在通過上位機(jī)觀察信息并調(diào)節(jié)控制參數(shù)的過程中，學(xué)生能夠?qū)崟r得到檢測數(shù)據(jù)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性。

三、實(shí)踐教學(xué)

自動化專業(yè)具有多學(xué)科交叉、內(nèi)涵豐富、注重實(shí)踐的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)在自動化專業(yè)中起著關(guān)鍵作用。四旋翼無人機(jī)具有涉及課程多、研究內(nèi)容創(chuàng)新、實(shí)用范圍廣等特點(diǎn)。在嵌入式技術(shù)、控制理論、數(shù)據(jù)采集與處理、基礎(chǔ)電等自動化課程群中都有實(shí)踐應(yīng)用，同時在大學(xué)生電子設(shè)計競賽、智能車競賽、機(jī)器人大賽等各類創(chuàng)新比賽中也有無人機(jī)項(xiàng)目，如圖4所示。

四、結(jié)束語

基于FPGA的四旋翼無人機(jī)綜合教學(xué)平臺結(jié)合了自動化專業(yè)多門專業(yè)課，僅可以讓學(xué)生將課本中所學(xué)的理論公式、定理運(yùn)用于實(shí)踐中，在鞏固理論知識的同時提高了創(chuàng)新能力、動手實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的能力，掌握自頂向下的設(shè)計方法。

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Integral Experimental Platform Based on the Quad-rotor UAV with FPGA Control

CHEN Jia-lin，BAO Di，NIU Jiong，CHEN Zhen

（Engineering College，Ocean University of China，Qingdao，Shandong 266100，China）

Abstract：In order to strengthen the cultivation of students' innovative thinking and comprehensive creativity，to cultivate students' abilities of using professional knowledge to do system designing combing with the automation theories and practical skill，an integral experimental platform based on the quad-rotor UAV with FPGA control is constructed.The design and construction of this platform integrate embedded technology， control theory，analog and digital circuits，data acquisition and processing technology， computer control and other courses.With this integrated teaching platform， various experiments can be given through module combination or decomposition according to modular design，which provides new simulation and practical environment to students and can cultivate the innovative practical ability of students.

Key words：UAV;teaching;innovation;integration