ME461：通过手部跟踪控制四轴飞行器

描述

目标

通过结合了 MSP430F2272 微处理器的 OpenCV 颜色跟踪工作流程控制小型四轴飞行器。作为 ME461 的最终项目创建：在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授的机械系统的计算机控制。

过程

最初，我们希望通过 MSP430 和 Blade Inductrix 四轴飞行器随附的 MLP4DSM 发射器之间的数字通信直接控制四轴飞行器。不幸的是，从发射器发送的数据在发送到无线电设备之前已被加密。这意味着我们必须将控制信息作为模拟信号注入来代替拇指棒。我们之前曾使用过 MSP430 和单通道 DAC。但是一个渠道是不够的。我们需要来自运行 OpenCV 的 OrangePi 的四个数字输入通道以及四个模拟输出通道来控制油门、偏航、俯仰和滚动。

在本学期早些时候，我们使用 OrangePi 和 OpenCV 库进行单对象颜色跟踪，以通过 MSP430 的 PWM 输出设置伺服电机的角度。在 MSP430 和 OrangePi 上使用相同的基本代码，我们修改了代码以跟踪两个不同颜色的对象以及计算对象的延迟平均中心。每个代码循环，我们通过平均像素在其颜色中的位置来计算每个对象的中心。然后我们将两个对象的中心记录到四个数组（x1、x2、y1、y2）中。这些中心被输入到更大的过去测量数组中，最后x的平均位置计算样本。为了增加我们平均的范围而不溢出我们的变量，这个平均值被输入另一个数组，并计算最后一个x的平均值。这允许我们在当前对象中心和它的平均中心之间延迟约 1 秒。

通过这种延迟，我们能够消除我们手中的任何突然动作。它还创造了一种控制情况，握住你的手仍然意味着没有输入，如果它开始动作不正常，这有助于重新控制直升机。这种控制方法对于方向输入（偏航、横滚、俯仰）工作顺利，但使油门难以飞行。因此，我们决定为油门切换到绝对控制（距屏幕底部的距离 = 控制输入）。

在实施方面，我们在发射器的接线以及与 TLV5610 DAC 的通信方面遇到了一些问题。这些将在下面的问题部分中讨论。

问题

导致手套变色的光照条件

- 颜色跟踪基于每个像素的 HSV 值。根据相机在房间的位置，背景照明会发生变化。鉴于我们在通常工作的房间中没有固定位置，因此我们需要修改 HSV 值以匹配每个新位置。我们站在房间的角落缓解了这种情况，如下面的视频所示，我们有干净的背景和一致的照明。这个角落还使我们能够在飞行时观看无人机，而不是背对着它。

从 MSP430 到 TLV5610 DAC 的 SPI 通信

- 这部分项目是更复杂的项目之一，仅仅是因为我们不熟悉 SPI 通信。一旦我们使用本学期早些时候开发的代码通过了 MSP430 上端口的初始设置，我们发现根据 SPI 协议，通信命令的时序至关重要。由于我们需要向 DAC 发送四个输入值，我们需要确保在发送的每个输入之间触发帧同步信号。这是通过将数据传输分成两部分来完成的，如下所示：

//DAC Transmission Function
void DAC_write(int DAC_data){
    LSB_data = DAC_data; //Lower 8 bits of data
    MSB_data = DAC_data>>8; //Upper 8 bits of data

    //Trigger FS pin high to low
    P3OUT |= 0x08;
    P3OUT &= ~0x08;

    msb_flag = 1; //MSB Data just filled buffer
    //Fill SPI TX Buffer and trip interrupt flag
    UCA0TXBUF = MSB_data; 
} 

//Excerpt of SPI RX Interrupt
#pragma vector=USCIAB0RX_VECTOR
__interrupt void USCI0RX_ISR(void) {

    if((IFG2&UCA0RXIFG) && (IE2&UCA0RXIE)) {  
        if (msb_flag == 1){
            UCA0TXBUF = LSB_data; //Transmit LSB data
            //Set flag to 0 to prevent loop of empty data
            msb_flag = 0; 
            byte_count++;
        }
        else{ 
        //As each set of data has completed, begin sending next piece
            if (byte_count == 1){
                DAC_write(yaw_val);
            }
            else if (byte_count == 2){
                DAC_write(pitch_val);
            }
            else if (byte_count == 3){
                DAC_write(roll_val);
            }
            else if (byte_count == 4){ //All data sent, reset to 0
                byte_count = 0;
            }
        }
        IFG2 &= ~UCA0RXIFG;
    }

Blade Inducttrix Quadcopter的绑定与初始化

- 将股票控制器绑定到四轴飞行器的方法如下：

• 打开四轴飞行器并等待 5 秒钟，直到指示灯开始闪烁
• 发射器油门到中间，按下油门杆，打开发射器，松开操纵杆并将油门归零
• 等到灯光停止闪烁，然后再飞行。

随着我们对发射器的修改，我们无法提供零油门或按下操纵杆上的按钮。通过更换按钮并对我们的代码进行一些小改动，我们能够将四轴飞行器和发射器绑定在一起。

虽然这确实解决了我们的一个问题，但四轴飞行器经常会卡在其初始化模式中。经过一段时间的故障排除，我们意识到四轴飞行器的内部飞行控制器具有 IMU，需要保持静止和水平，以防止传感器漂移开始飞行。打开后将四轴飞行器放在工作台上解决了这个问题。

四轴飞行器框架故障

- 使用四轴飞行器的轻质塑料框架，我们遇到了电机支架在硬着陆时断裂的问题。尽管我们确实尝试 3D 打印一个新框架来替换损坏的框架，但我们发现将电机安装座强力粘回各自的位置更容易、更有效。这确实导致了少量的不平衡和漂移，这可以在我们的飞行视频中看到，但尽管如此，我们还是能够控制直升机。