0 引言

　　微型飛機的飛行速度在其飛行過程中不僅是被控量，同時也是是對飛行姿態進行控制的重要參考數據之一，因此有必要對這個數據進行精確測量。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格，因此對飛行速度進行精確測量顯得尤為重要。目前對微型飛機的飛行速度的測量一般有以下幾種方法：

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

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

　　（3）基于空速計的方法。空速計一般使用在飛行速度較高的場合，易受氣流影響，測量結果并非是飛機相對于地面的速度，而只是相對于大氣的速度，因此后續處理過程復雜。

　　（4）基于光流法測速。這是一種直接測量微型飛機飛行速度的方式，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、數字信號處理器等硬件設備，結構復雜。在高空環境下，光流法測量誤差也較大。本文針對低空飛行環境，以集成了圖像采集電路和數字信號處理器的ADNS2610為傳感器，設計了結構簡單，成本低，體積小，重量輕的微型飛機速度測量系統。為了簡化設計，本文檢測的是微型飛機在飛行高度不變時的水平飛行速度，因此本文設計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充。

　　1 系統原理和整體方案設計

　　該測速系統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據處理功能，傳感器的輸出數據就是圖像的位移量 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除以位移時間T，就得到圖像的移動速度：

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

　　式中：VX和VY分別指微型飛機在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，其測量精度會對VX和VY的計算精度產生影響。

　　系統主要包括硬件電路部分、用于支持圖像采集的透鏡系統以及軟件部分。硬件電路部分主要是支持傳感器的系統電路以及與傳感器進行通信的接口。透鏡系統部分主要用來使光學傳感器獲得需要的圖像數據。軟件部分主要用來獲取位移信號和計算微型機飛機的飛行速度。

　　2 硬件電路設計

　　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。它集成了圖像傳感器和數字信號處理器，以及輸入輸出數據的串行接口，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導航技術，通過檢測到的圖像的移動變化來計算得到傳感器的移動方向和距離。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。把圖像傳感器和數字信號處理器結合起來是本傳感器的一大特色，使得結構大大簡化。集成度更高，也更加緊湊。

　　ADNS2610的主要特征如下：

　　（1）精確的光學導航技術；

　　（2）小巧緊湊的結構（10 mm×12．5 mm的引腳）；

　　（3）二維運動量的檢測；

　　（4）簡單通用的控制器接口；

　　（5）高達12 inch／s的運動檢測；

　　（6）400 cpi的解析度；

　　（7）高可靠性；

　　（8）高速運動傳感器；

　　（9）串口寄存器。

　　2．2 電路設計

　　圖2是該系統的硬件電路結構框圖。微型飛機的飛行控制系統的主控芯片為MSP430F449。

　　整個系統的硬件電路如圖3所示。其中SDIO是串口數據輸入／輸出端口；SCK是串口的時鐘端口。時鐘信號由主控制器MSP430F449發出。當向SDIO端口寫入讀／寫地址以后，數據就通過這個端口寫入或讀出。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整。

　　3 透鏡系統設計

　　透鏡焦距的選擇對于整個系統的設計至關重要，因為它決定了微型飛機在使用本測速系統時的高度范圍。微型飛機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的物距應該適合近地飛行時使用。為了節約成本，選用了電腦上常用的一種攝像頭上的透鏡系統，其焦距為4mm，其物距范圍為幾厘米到幾米，完全能滿足要求。該系統透鏡與ADNS2610的感光面的距離是可以連續調節的，這樣就可以方便地調節成像的清晰度。

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

　　因為圖像的最大移動速度為12inch／s以及透鏡焦距為4mm，可以推導出測速時微型飛機的最大相對于地面飛行角速度為76．2 rad／s。