基于ADNS2610的微型飛機(jī)速度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　微型飛機(jī)的飛行速度在其飛行過程中不僅是被控量，同時(shí)也是是對飛行姿態(tài)進(jìn)行控制的重要參考數(shù)據(jù)之一，因此有必要對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測量。特別是在近地飛行過程中，對飛行路徑、避障能力、降落速度等要求更為嚴(yán)格，因此對飛行速度進(jìn)行精確測量顯得尤為重要。目前對微型飛機(jī)的飛行速度的測量一般有以下幾種方法：

　?。?）基于慣性傳感器的方法。通過對加速度積分來獲得速度數(shù)據(jù)。但由于慣性傳感器存在零點(diǎn)漂移，積分過程也存在誤差，長時(shí)間使用會(huì)有很大的積累誤差。因此，在使用的過程中必須使用其他測量方式對零點(diǎn)漂移和積分積累誤差進(jìn)行校正。

　?。?）基于GPS的方法。此類方法需要借助外部設(shè)備，一般都比較昂貴，并需另行安裝其他定位參考點(diǎn)。因此在測量過程中，測量精度受定位方式限制，使用環(huán)境受限。

　?。?）基于空速計(jì)的方法。空速計(jì)一般使用在飛行速度較高的場合，易受氣流影響，測量結(jié)果并非是飛機(jī)相對于地面的速度，而只是相對于大氣的速度，因此后續(xù)處理過程復(fù)雜。

　?。?）基于光流法測速。這是一種直接測量微型飛機(jī)飛行速度的方式，測量精度高，不存在積累誤差，而且不需要借助于外界的定位工具。但是光流法測速一般需要使用圖像傳感器、數(shù)字信號處理器等硬件設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在高空環(huán)境下，光流法測量誤差也較大。本文針對低空飛行環(huán)境，以集成了圖像采集電路和數(shù)字信號處理器的ADNS2610為傳感器，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，重量輕的微型飛機(jī)速度測量系統(tǒng)。為了簡化設(shè)計(jì)，本文檢測的是微型飛機(jī)在飛行高度不變時(shí)的水平飛行速度，因此本文設(shè)計(jì)的飛行速度檢測方式只能是其他的飛行速度檢測方式的一種補(bǔ)充。

　　1 系統(tǒng)原理和整體方案設(shè)計(jì)

　　該測速系統(tǒng)的工作原理是光流法。由于采用的傳感器芯片ADNS2610集成了圖像采集功能和數(shù)據(jù)處理功能，傳感器的輸出數(shù)據(jù)就是圖像的位移量 Delta_X和Delta_Y，其中Delta_X是圖像在X方向上的位移量，Delta_Y是圖像在Y方向上的位移量。將位移量Delta_X和 Delta_Y除以位移時(shí)間T，就得到圖像的移動(dòng)速度：

　　式中：VX1是指圖像在X方向上的移動(dòng)速度；VY1是指圖像在Y方向上的移動(dòng)速度。將圖像的移動(dòng)速度乘以高度系數(shù)a，就可以得到微型飛機(jī)的移動(dòng)速度，即：

　　式中：VX和VY分別指微型飛機(jī)在X方向上和Y方向上的飛行速度；a的值等于透鏡和地表之間的距離H與透鏡和感光面之間的距離h之比，即a=H／h，高度H通過超聲波測距的方式測量得到，其測量精度會(huì)對VX和VY的計(jì)算精度產(chǎn)生影響。

　　系統(tǒng)主要包括硬件電路部分、用于支持圖像采集的透鏡系統(tǒng)以及軟件部分。硬件電路部分主要是支持傳感器的系統(tǒng)電路以及與傳感器進(jìn)行通信的接口。透鏡系統(tǒng)部分主要用來使光學(xué)傳感器獲得需要的圖像數(shù)據(jù)。軟件部分主要用來獲取位移信號和計(jì)算微型機(jī)飛機(jī)的飛行速度。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 芯片介紹

　　本文采用的傳感器芯片ADNS2610主要用于光電鼠標(biāo)。它集成了圖像傳感器和數(shù)字信號處理器，以及輸入輸出數(shù)據(jù)的串行接口，可以直接輸出X和 Y方向上的位移量。這種傳感器采用光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，通過檢測到的圖像的移動(dòng)變化來計(jì)算得到傳感器的移動(dòng)方向和距離。如圖1所示，芯片主要包括串口、振蕩器、圖像處理器、電源管理、LED控制等模塊。把圖像傳感器和數(shù)字信號處理器結(jié)合起來是本傳感器的一大特色，使得結(jié)構(gòu)大大簡化。集成度更高，也更加緊湊。

　　ADNS2610的主要特征如下：

　　（1）精確的光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)；

　　（2）小巧緊湊的結(jié)構(gòu)（10 mm×12．5 mm的引腳）；

　　（3）二維運(yùn)動(dòng)量的檢測；

　　（4）簡單通用的控制器接口；

　?。?）高達(dá)12 inch／s的運(yùn)動(dòng)檢測；

　?。?）400 cpi的解析度；

　?。?）高可靠性；

　?。?）高速運(yùn)動(dòng)傳感器；

　?。?）串口寄存器。

　　2．2 電路設(shè)計(jì)

　　圖2是該系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。微型飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)的主控芯片為MSP430F449。

　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。其中SDIO是串口數(shù)據(jù)輸入／輸出端口；SCK是串口的時(shí)鐘端口。時(shí)鐘信號由主控制器MSP430F449發(fā)出。當(dāng)向SDIO端口寫入讀／寫地址以后，數(shù)據(jù)就通過這個(gè)端口寫入或讀出。ADNS-2610的輸出電壓為5 V，而MSP430的I／O端口輸入高電平最高為3．6V，因此要對ADNS-2610的SDIO輸出電平降壓，使之符合MSP430對輸入電平的要求。如圖3所示，通過外接分壓電阻的方式降低ADNS-2610的SDIO端口的電壓。ADNS-2610的SCK端口只接收時(shí)鐘信號。ADNS-2610接收的高電平信號電壓范圍是2～5 V，而MSP430輸出的高電平信號為3V，符合ADNS對高電平的要求，因此不用考慮電平的調(diào)整。

　　3 透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　透鏡焦距的選擇對于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了微型飛機(jī)在使用本測速系統(tǒng)時(shí)的高度范圍。微型飛機(jī)使用光流法測速的場合主要是在近地飛行過程中，因此選用的透鏡系統(tǒng)的物距應(yīng)該適合近地飛行時(shí)使用。為了節(jié)約成本，選用了電腦上常用的一種攝像頭上的透鏡系統(tǒng)，其焦距為4mm，其物距范圍為幾厘米到幾米，完全能滿足要求。該系統(tǒng)透鏡與ADNS2610的感光面的距離是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，這樣就可以方便地調(diào)節(jié)成像的清晰度。

　　在實(shí)際使用過程中，透鏡與感光面的距離一旦確定就不再改變。這樣雖然隨著飛機(jī)高度的變化，成像清晰度可能會(huì)有所改變，但是只要在限定的高度范圍內(nèi)，成像的清晰度是能夠保證的，因此不影響測速，并且還能夠簡化計(jì)算過程。

　　因?yàn)閳D像的最大移動(dòng)速度為12inch／s以及透鏡焦距為4mm，可以推導(dǎo)出測速時(shí)微型飛機(jī)的最大相對于地面飛行角速度為76．2 rad／s。