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    各個(gè)模塊之間相對(duì)獨(dú)立，均可單獨(dú)完成一定的功能，模塊之間的相互連接采用總線實(shí)現(xiàn)，便于安裝和系統(tǒng)集成。雖然采用的總線是較可靠的通訊標(biāo)準(zhǔn)，但是在直升機(jī)實(shí)際飛行的環(huán)境中存在震動(dòng)、電磁等干擾因素，可能影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑸榱吮ＷC正確的數(shù)據(jù)傳輸，采用了兩套互為備份的總線系統(tǒng)―422總線和CAN總線。CAN總線對(duì)于數(shù)據(jù)包的傳送更為方便，克服了422總線只能采用主從模式以及工作在輪詢模式的缺點(diǎn)，并且具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。
2.1  飛行控制計(jì)算機(jī)
    飛行控制計(jì)算機(jī)是直升機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。飛控計(jì)算機(jī)處理器采用德州儀器（Texas Instruments，TI）公司適用于控制的TMS320F2812 DSP，具有多路數(shù)字總線和模擬采樣通道，功耗低，運(yùn)算速度足以滿足實(shí)時(shí)控制的需要。
    直升機(jī)模型較為復(fù)雜，而且通道之間存在耦合，如果考慮復(fù)雜情況則控制率較難實(shí)現(xiàn)，所以采用簡(jiǎn)單的PID控制器分通道進(jìn)行控制，為了解決非線性問題，采取不同狀態(tài)下采用不同參數(shù)的控制方法。具體將飛機(jī)飛行狀態(tài)劃分為起飛、降落、懸停、向左、向右等狀態(tài)，在不同狀態(tài)下設(shè)定不同的控制目標(biāo)值。例如，懸停狀態(tài)高度設(shè)定為固定值，俯仰、滾轉(zhuǎn)以及偏航的角度都設(shè)置為零，利用四個(gè)不同的控制器分通道控制，使得飛機(jī)姿態(tài)達(dá)到設(shè)定值。以偏航方向的控制為例，如圖3所示。

2.2  導(dǎo)航系統(tǒng)
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)姿態(tài)的控制，需要有飛機(jī)各個(gè)方向的速度位置姿態(tài)信息等，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法通過對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)提供的加速度和角速度的積分，得到機(jī)體的位置、速度和姿態(tài)信息(PVA)。從硬件上來說，該模塊是實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)加速度和角速度傳感器的信息采集，但是僅僅通過以上簡(jiǎn)單的慣導(dǎo)算法本身很難得到有用的信息，慣性傳感器的漂移和定步長(zhǎng)積分的累計(jì)誤差會(huì)使計(jì)算結(jié)果很快偏離實(shí)際值。導(dǎo)航系統(tǒng)必須考慮這些誤差因素并對(duì)得到的PVA結(jié)果作出修正。

    慣性導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)：采集慣性敏感元件的輸出信號(hào)并進(jìn)行解算，給出飛行器相對(duì)與給定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)信息，通過總線實(shí)時(shí)地發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。采集的傳感器信號(hào)包括三軸的加速度、角速度、地磁在三軸的分量以及GPS（全球定位系統(tǒng)）信號(hào)。通過各種傳感器信號(hào)的信息融合，可以有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和精度。
2.3  超聲波測(cè)高模塊
    雖然GPS系統(tǒng)或者慣導(dǎo)系統(tǒng)都可以提供高度信息，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)直升機(jī)起飛降落這樣的任務(wù)來說，這些高度信息的精度是無法滿足要求的，需要有超聲測(cè)距、紅外測(cè)距或者激光測(cè)距等高精度的距離測(cè)量方法。激光測(cè)距的精度較高，但是購買的成本較高，自主開發(fā)的難度也更大；紅外測(cè)距的作用距離有限，同樣存在著開發(fā)難度較大的問題；超聲測(cè)距結(jié)合了測(cè)量距離較遠(yuǎn)（可測(cè)10m）以及開發(fā)難度低的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇超聲高度測(cè)量方案。另外超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
    高度測(cè)量模塊的主要工作過程如下：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射回來，超聲波接收器收到反射波即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。
2.4  舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    舵機(jī)是無人直升機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過操縱舵機(jī)來改變主旋翼的槳葉角度和槳盤角度以及尾槳的槳葉角度，就可以控制作用于飛機(jī)上的力和力矩，從而改變機(jī)體飛行狀態(tài)。比賽用直升機(jī)仍然采用航模直升機(jī)的舵機(jī)，該舵機(jī)輸入為PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)，脈沖寬度對(duì)應(yīng)于舵機(jī)的位置。
   為了實(shí)現(xiàn)可靠的控制，防止在一定條件下飛機(jī)失控，在舵機(jī)模塊增加控制切換功能，即可以通過飛控計(jì)算機(jī)控制或者通過遙控手直接遙控。

3  地面系統(tǒng)
    地面系統(tǒng)負(fù)責(zé)與機(jī)載部分通訊，發(fā)送控制指令，接收飛機(jī)狀態(tài)信息并處理飛機(jī)發(fā)回的圖像信息。具體分為視覺處理部分以及地面站部分。
3.1  視覺處理
    視覺是無人機(jī)的一個(gè)重要部分，無人機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用―無人偵察，就是以計(jì)算機(jī)視覺為基礎(chǔ)。視覺程序的目的是：從直升機(jī)上面的攝像頭拍到的圖片中檢測(cè)出固定的幾類圖標(biāo)的位置。整個(gè)檢測(cè)過程分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段從圖片中檢測(cè)出圖標(biāo)所在矩形的位置，并放縮為32*32大小的標(biāo)準(zhǔn)矩形；第二個(gè)階段對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形進(jìn)行判斷，決定它是哪類圖標(biāo)。
    三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)如圖6所示。

    第一階段獲取矩形位置的流程是如下。圖7為攝像頭傳回的一幀圖片。

    首先從攝像頭傳回的視頻中得到一幀圖片，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖；然后對(duì)其進(jìn)行均值濾波平滑處理，消除掉圖片上的一些雜質(zhì)；接下來進(jìn)行sobel邊緣檢測(cè)，將矩形從圖像中分離出來，在邊緣檢測(cè)的同時(shí)也進(jìn)行了閾值化的過程。得到區(qū)域邊緣后還需要判斷是不是矩形或者平行四邊形，只有矩形或者平行四邊形的區(qū)域可能是目標(biāo)區(qū)。
    第二階段需要判斷32*32大小的區(qū)域是哪一個(gè)圖標(biāo)。方法是：把32*32大小的區(qū)域認(rèn)為是1024的一個(gè)向量空間，事先準(zhǔn)備好3幅標(biāo)準(zhǔn)圖標(biāo)，每幅圖標(biāo)有4個(gè)方向，所以一共是12類圖標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算每類圖標(biāo)在向量空間中的位置；然后把第一階段得到的區(qū)域乘以轉(zhuǎn)換矩陣，得到它在向量空間中的位置，判斷它和那一類圖標(biāo)最接近，就屬于哪一類，并計(jì)算出匹配度，匹配度低于某個(gè)值則認(rèn)為是干擾目標(biāo)。圖8為識(shí)別出的圖標(biāo)，m1、m2、m3分別指出圖標(biāo)屬于哪一類，59、66、77是該區(qū)域?qū)τ谀且活悎D標(biāo)的匹配度。

3.2  地面站
    地面控制站程序的作用是觀察飛機(jī)的各項(xiàng)飛行信息，包括GPS信息、飛機(jī)狀態(tài)信息、飛行航跡信息等，并可以發(fā)送命令對(duì)其進(jìn)行控制。地面站和飛機(jī)之間的通訊遵循設(shè)定好的測(cè)控協(xié)議。地面站界面如圖9所示。

    左邊空白處的文字是顯示飛機(jī)發(fā)送回來的GPS信息和三軸線加速度、角速度信息。
    界面右邊的各項(xiàng)文字、儀表顯示了飛機(jī)的各種狀態(tài)信息，可以用于分析飛機(jī)的運(yùn)行情況，其中右中的4個(gè)操縱桿可以給飛機(jī)設(shè)定升降舵、方向、風(fēng)門、副翼四個(gè)參量。界面下方的按鈕群是主要的操作部分，可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕進(jìn)行各種操作。界面最底下的一欄是狀態(tài)欄，顯示了一些程序運(yùn)行的信息。
    地面站和視覺程序結(jié)合起來，利用飛機(jī)當(dāng)前的高度、航向以及飛機(jī)所處的位置，可以計(jì)算出圖標(biāo)的實(shí)際經(jīng)緯度信息，這也是比賽的最終要求。