高空智能图像采集仪论文.doc

参赛队号：梦翔队 项目中文名：高空智能图像采集仪 项目英文名：High-altitude Intelligent Image Acquisition Instrument 摘 要 高空智能图像采集仪是一套用于在高空采集图像，通过无线数据传输模块将图像数据传回地面控制站并显示在PC机上的一个系统。现在的航拍设备很多，但是能达到稳定性高，操作简单而且价格便宜的不是很多。该系统则是利用廉价的设备加上PID控制算法，以及四轴飞行器的灵活性和稳定性等特点研究出一套可以方便操作，清晰摄像，但是价格便宜的设备。 本系统使用TMS320F2812的DSP作为飞行器的主控制芯片，使用OV7670作为图像传感器用于采集图像，使用陀螺仪和加速度传感器构成惯性导航系统来控制飞行器的飞行状态，使用NRF24L01作为无线数据传输的设备，使用舵机控制摄像头的方向，使用红外测距模块实现智能避障。在地面控制端使用STC89C52单片机作为NRF24L01模块与PC的数据转接，实现飞行器与PC机的通信。 关键词： 四轴飞行器，DSP2812，OV7670摄像头，PID算法，图像压缩。 Abstract //需要加英文注释 //需要加英文注释 (一)系统方案 图1 这样可以是每个螺旋桨旋翼旋转产生的扭力相互抵消，防止飞行器自旋。 通过陀螺仪可以检测到飞行器是否有倾斜或自旋现象发生。陀螺仪是一种角速度传感器，通过角速度传感器可以测量到当前的飞行器整个机身在X，Y，Z（系统的坐标系如图2所示）轴三个方向的角速度。 图2 对三个方向的角速度进行积分便可以得到飞行器在三个轴方向的旋转角度，将得到的数据反馈回控制器，控制器根据得到的信息调整四个桨的转速来调整机身，使其重新回到我们想要的状态。 对于机身稳定的控制方法如下： 如果机身发生自旋现象，例如在图2中机身绕Z轴发生逆时针旋转，则将四个螺旋桨中逆时针旋转的螺旋桨转速降低，顺时针旋转的螺旋桨转速加高，这样当机身回到原来的状态时，调整螺旋桨转速回到以前的速度。由于调整的时间很小，所以自旋在肉眼看不到是就已经被调整回之前的状态。 如果有倾斜现象发生，则将倾斜旋转轴两侧的螺旋桨的转速一个加大，另一个减小，使其想相反的方向旋转，回到平稳状态。在调整时要同时增大或减小位于旋转轴上的两个螺旋桨的转速，以保证飞行器还处于平稳状态，不要发生上升或下降。 让飞行器沿水平方向飞行时，只要使飞行器稍微倾斜一定的角度，在水平方向就会有分力，就可以控制飞行器在水平方向的动作。在垂直方向的运动，则只要同时增大或减小四个螺旋桨的转速就行了。 飞行器当前的位置确定则由加速度传感器来完成，具体方法是如下： 通过三轴加速度传感器测量沿三个轴方向的加速度，然后对时间积分可以得到飞行器沿三个轴方向的速度，对速度再进行积分就可以得到当前飞行器的位置（在三维空间中的相对坐标）。这就是惯性导航系统的核心思想。但是在实际中由于各种因素的影响（如风等），位置的确定还是有很大的误差的，但是这个装置在本系统中还是不可或缺的，它还用于辅助控制飞行器的状态，例如，当需要飞行器静止悬浮在空中时，通过加速度传感器可以来判断此时飞行器在三个轴方向的加速度，结合陀螺仪的状态，进一步判断此时飞行器是否真的静止。在进行相应的处理即可。 控制算法（PID）： PID调节的实质就是根据输入的偏差量，按照比例、积分、微分的关 进行运算，运算结果用以控制输出。在实际中，根据被控对象的特性和控制要求，可灵活的改变PID的结构，取其中的一部分环节构成控制规律。在计算机控制中，更可以灵活应用，以充分发挥微型机的作用。 PID算法的数字化以及在本系统中的应用： 在模拟系统中，PID算法的表达式为： 式中，p(t)——调节器的输出信号； e（t）——调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差； Kp——调节器的比例系数； TI——调节器的积分时间； TD——调节器的微分时间。 由于计算机控制是一种采样控制，它智能根据采样时刻的偏差来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对上式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时的积分项和微分项可用求和及增量式表示，如此得到离散的PID表达式： 式中 T——采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度； E（k）——第k次采样时的偏差值； E（k-1）——第k-1次采样时的偏差值； K——采样序号，k=0，1，2，3…… P（k）——第k此采样是调