2013國(guó)賽四旋翼飛行器論文(二)

1、摘要本文對(duì)四槳碟形飛行器進(jìn)行了初步的研究和設(shè)計(jì)。 首先， 對(duì)飛行器各旋翼的升力做了測(cè)試，分析了升力產(chǎn)生效率與pwm®率的關(guān)系并選擇了此樣機(jī)的最優(yōu)工 作頻率，并重點(diǎn)對(duì)飛行器進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)。本飛行器采用r5f100le單片機(jī)為主控制器，通過四元數(shù)算法處理傳感器mpu6050 采集機(jī)身平衡信息并進(jìn)行閉環(huán)的 pid 控制來(lái)保持機(jī)身的平衡。整個(gè)控制系統(tǒng)包括電源模塊、 角度傳感器模塊、 電子調(diào)速模塊、 超聲波測(cè)距模塊及微處理器模塊等。 角度傳感器和角速率傳感模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供飛行器當(dāng)前姿態(tài)和角速率信號(hào)，構(gòu)成飛行器的增穩(wěn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)經(jīng)過飛行測(cè)試，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：r5f100l即片

2、機(jī)、角度傳感、pwm®率、pid控制。1 系統(tǒng)方案 21.1 電子調(diào)速模塊的選擇 21.2 角度傳感模塊的論證與選擇 21.3 超聲波測(cè)距的選擇 31.4 電源的論證與選擇 32 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 32.1 控制理論的分析 32.1.1 控制方式 32.1.2 pid算法 42.1.3 pid計(jì)算 43 電路與程序設(shè)計(jì) 43.1 電路的設(shè)計(jì) 43.1.1 系統(tǒng)總體框圖 43.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 53.1.3 hc-sr04 子系統(tǒng)電路 63.1.4 電源 63.2 程序的設(shè)計(jì) 63.2.1 程序功能描述 63.2.2 主程序流程圖 64 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 74.1 測(cè)試方案 7

3、4.2 測(cè)試條件與儀器 104.3 測(cè)試結(jié)果及分析 104.3.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)） 114.3.2 測(cè)試分析與結(jié)論 11附錄1：電路原理圖 12附錄2：源程序 14四旋翼目主飛行器()1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電子調(diào)速模塊、角度傳感模塊、超聲波測(cè)距模塊、電源模塊組 成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1 電子調(diào)速模塊的選擇由于飛行器需要強(qiáng)大的動(dòng)力，普通的電機(jī)不適合飛行器的開發(fā)，無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)是采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，更重要 的是無(wú)刷電機(jī)經(jīng)常被使用在控制要求比較高，轉(zhuǎn)速比較高的設(shè)備上，如航模

4、，精密儀器儀表等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制嚴(yán)格，轉(zhuǎn)速達(dá)到很高的設(shè)備上。所以我們采用 a2208型號(hào)無(wú)刷電機(jī)，通過電子調(diào)速器根據(jù) r5f100le單片機(jī)控制pwm的占 空比輸出的大小來(lái)控制電機(jī)，使這個(gè)電子調(diào)速模塊能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，來(lái)控制飛行器的各項(xiàng)指標(biāo)。1.2 角度傳感模塊的論證與選擇萬(wàn)案一：采用角度傳感器：這個(gè)模塊實(shí)際上是加速度傳感器，內(nèi)部是測(cè)x,y,z軸方向 上的三個(gè)加速度，然后單片機(jī)或者arm通過讀取三個(gè)加速度值，通過反正切artan 運(yùn)算來(lái)算出角度值。因?yàn)槭情g接得到，所以在外部設(shè)備有抖動(dòng)的狀態(tài)下誤差較大， 一般還動(dòng)過一個(gè)陀螺儀得出的角速度值， 兩者通過卡爾曼濾波融合，得到一個(gè)相 對(duì)抗擾動(dòng)

5、的角度值。萬(wàn)案一：采用陀螺儀mpu6050f塊：陀螺儀的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指 的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來(lái)保持方向， 制造出來(lái)的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)， 一般能達(dá)到每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)，可以工作很長(zhǎng)時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所 指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。陀螺儀的作用是測(cè)定加速度的矢 量，優(yōu)點(diǎn)是不受磁場(chǎng)影響。最終方案：相比較后，我們認(rèn)為mpu605瞅塊較適合飛行器姿態(tài)的控制，最終選擇方案一。1.3 超聲波測(cè)距的選擇我們采用hc-sr04模塊進(jìn)行超聲波測(cè)距，來(lái)控制飛行高度。hc-sr04模塊能提供2cm

6、-400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，其基本工作原理為采用 io 口trig觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送 8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回通過io 口 echo 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。 測(cè)試距離=（高電平持續(xù)的時(shí)間*聲速（340m/s） ） /2?；谒墓ぷ髟?，我們決定用hc-sr04 來(lái)采集數(shù)據(jù)來(lái)控制飛行器的飛行高度。1.4 電源的論證與選擇、 . 1*方案一：采用鉛酸電池：鉛酸電池（ vrla ） ，是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛

7、，負(fù)極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。、. 1* 、方案二：采用鋰聚合物電池：它也是鋰離子電池的一種，但是與液鋰電池（li-ion） 相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化，以及高安全性和低成本等多種明顯優(yōu)勢(shì)，是一種新型電池。在形狀上，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以配合各種產(chǎn)品的需要， 制作成任何形狀與容量的電池。 該類電池可以達(dá)到的最小厚度可達(dá) 0.5mm。相同容量的鉛酸電池比鋰聚合物電池便宜很多， 但重量比鋰聚合物電池重很多！ 而飛行器的載重能力有限，所以最終選擇方案二鋰聚合物電池。2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1 控制理論的分析2.1.1 控制方式本次比賽的難點(diǎn)

8、在于如何使飛行器在空中較好的實(shí)現(xiàn)平衡控制， 然后使其進(jìn)行巡線飛行和降落。文中所研究的四旋翼結(jié)構(gòu)屬于x型分布 即螺旋槳mm m4與m冬口 m31于x軸對(duì)稱螺旋槳m體口 m2w m舜口 m較于y軸對(duì)稱如圖1所示 對(duì)于 四旋翼的模型踐行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)物理建模。 通過陀螺儀返回的留個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行四元數(shù)擬合處理得到空間歐拉角。然后返回給系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)pid控制。2.1.2 pid 算法當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論 技其他技術(shù)又t以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確 定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便.即使當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì) 象，或是不能通過

9、有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用pid控制技術(shù). pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算。2.1.3 pid 計(jì)算經(jīng)過測(cè)算和推導(dǎo)，我們得出了 pid的計(jì)算公式為2-1u(f) = w) + ：jq(2-1)在該飛行器系統(tǒng)中，pid各個(gè)參數(shù)經(jīng)過調(diào)試得出:k=1p=300i=0d=1253電路與程序設(shè)計(jì)3.1 電路的設(shè)計(jì)3.1.1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示hc-sr04mpu6050r5f100le電子調(diào)速器電源模塊圖3-1系統(tǒng)總體框圖3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路vlc hata154cmok）：pml kli4 iwr?luk12302戶猛%&一0&#

10、177;?10ks12ju2gndusdvcc batm0to3gnd¥ at54cri7 mv :小 ?iok12302pwm4r18-wtr睜12302gndgndgndgnd圖3-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路3.1.3 hc-sr04子系統(tǒng)電路|ig i圖3-3 hc-sr04子系統(tǒng)電路圖4-1選擇仿真器圖4-2配置仿真器3.1.4 電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供十5v或者十12v電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓 管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1 程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)和 pw喻出的更改。

11、(1)傳感檢測(cè)功能：設(shè)置高度和角度的輸出信號(hào)類型。(2) pwmj出：根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過 pid算法更改pwmj輸出。3.2.2主程序流程圖開始4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試方案1、硬件測(cè)試測(cè)量飛行器距離地面距離使用超聲波模塊。之前沒有使用過瑞薩單片機(jī)，所 以先用51單片機(jī)編程用1602顯示超聲波所測(cè)就離進(jìn)行調(diào)試。然后再將 51單片 機(jī)的程序改到瑞薩單片機(jī)里。飛行器的不確定因素很多，最先使用電源箱進(jìn)行測(cè) 試比使用電池更容易控制。為防止飛行器飛出傷人，用四根結(jié)實(shí)的尼龍純將飛行 器的四個(gè)底座固定在地面進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試。2、軟件仿真測(cè)試配置仿真器py-qpscl. t ree.) "tes

12、ii 號(hào) r5f1otle (microccrrtroller) 嗎 code generator (design tool f ca羽kofi (mildu/鵬 debug tool krl78 3ecube因 property-*/i startupl . l cade ge<ierat)or 匕i r_mainx.'-cl r.xysteinihillc一口 jegjegjc r eg ege user.c一曰 r eg portc上i r_cs_p力rt_uxr工七 i . rm 尸jfrl70ilnclim 口 i 寺二 庠廠 e/* em孑 1，3_5一工 胃 匚；d

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14、regr&nmrgmmufft”em* 加m roh fl-tarjnfl麗secunt* h&=:1 ij-e mcuiihf i口in lwtidk>fnil| fed nadiw th*6cb it tn intatwl adm «( interwsl? m 5k4fiv 'c1 nhfcwm,，內(nèi) lw«r i rrncminect setttef>： defbuq tdolsettlaqg / daoad- h。網(wǎng) ef(1)如圖4-1所示，cubesuite+適用多種仿真器(iecube e1、e20 ez emulator、

15、simulator ),在 project tree panel 中單擊 rl78 simulator 右 鍵，選擇using debug toolrl78 e1 ,為本次調(diào)試選用仿真器 e1。(2)如圖 4-2所示，在 project tree panel 中雙擊 rl78 e1 (serial ), 開啟property 窗口，設(shè)置e1輸出5v驅(qū)動(dòng)電源。下載目標(biāo)文件目標(biāo)文件就是由用戶程序編譯成的二進(jìn)制文件，擴(kuò)展名是 *lmf o cubesuite+面板上的download (快捷鍵f6 )按鈕輿今,或從菜單中選擇 debug- > build & download ,即可開

16、始下載目標(biāo)文件。執(zhí)行與停止程序下載目標(biāo)文件后，自動(dòng)啟動(dòng)如下窗口執(zhí)行加匯編不-，1.阿呼 bl 2 - 4jjr l d 皿*3 g:源程序 kj* h.-' g4 二.二 k-k 4：/ i- ji_ .smm . umiimstaft 瑤圖4-3 cubesuite+調(diào)試主面板匚4在任 wmfnitgw兀1陽(yáng) ?er* 4lie 41m “即 ulcef ele7uk 丸氐um “hpt ttrpfffsllwi famu bidhmrthein 姓 i&lbkr ,占 j xjjj?.j-j i(1)執(zhí)行程序：點(diǎn)擊主面板工具欄上的執(zhí)行按鈕ct (快捷鍵f5),或從 debu

17、g菜單中選擇go。(2)單步執(zhí)行：點(diǎn)擊主面板工具欄上的execution step in 按鈕必(快捷鍵f11) ,_或從debug菜單中選擇step in 。 ( execution step over 按鈕小(快捷鍵 f10)也是單步執(zhí)行，但執(zhí)行時(shí)，將整個(gè)函數(shù)作為一步，跳過函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼。)(3)停止執(zhí)行：在程序執(zhí)行期間，按停止按鈕g (快捷鍵shift+f5 )，或從debug 菜單中選擇stop o(3)重啟：點(diǎn)擊重啟鈕(快捷鍵ctrl+f5 )，或從debug菜單中選擇cpu reset,無(wú)論程序是否在執(zhí)行，都可以執(zhí)行重啟操作。調(diào)試功能變量監(jiān)控功能(1)觀察變量:在代碼中，選擇用戶需要

18、觀察的變量，單擊右鍵，選擇register to watchl, 將變量 添加到w atch 1窗口，這樣就可以觀測(cè)到該變量的當(dāng)前值。隨著程序的 執(zhí)行，變量的值也會(huì)刷新。"'jrar0istl。 r e工父口工口auz-zr-jjukfl - adce ftdch -皿adll. - ：»ko31t;圖4-4 啟動(dòng)變量監(jiān)控圖 4-5 watch 窗 口(2)修改變量值：在watch窗口的顯示變量值(value)區(qū)域，雙擊需要改變的變量值，即可 修改該 變量的值。通過這種操作，就可以在調(diào)試中很方便地測(cè)試變量的各種數(shù) 值，而不必重新修改和編譯程序。這個(gè)監(jiān)控功能也可以用來(lái)

19、觀察和修改 sfr的 值。action event 功能通過簡(jiǎn)單的設(shè)定，action event功能可以方便的顯示調(diào)試中的變量的變化。選擇 register action event(1)開啟action event功能：在代碼中，選擇用戶需要觀察的變單擊右鍵,開啟action event對(duì)話框，設(shè)定輸出名稱tutt產(chǎn)traginlar ie-waxci-ii;至firok-ler mianrfticg uiirddci!心*3 find.o ca itaclritk qrl+c ftri+v clrl+f dbugail：aec3 ;1陷 ulhll at -kcif ;空rtizuf fo

20、rward io <ursor h&vtwnc 日g lail curi4i褥k,cta 3 h«r«3 s« k bo heref arfnp to unciion-ft2-j t*9 jumf4的訐jj* 9(。 .sana ta dnanniamhh ulncaewncndbwk jhingrsdion ewrti圖4-7 3.8 action event對(duì)話圖4-6開啟action event 功能框設(shè)定完成后，該變量的行就會(huì)顯示紅色,并且在行號(hào)旁邊顯示action event標(biāo)志卡。程序執(zhí)行時(shí)，在output panel中，根據(jù)程序的運(yùn)行情

21、況，會(huì)輸出該變量的變化過程。(2)關(guān)閉 action event 功能:程序停止時(shí)，在設(shè)定變量的行,選中action event標(biāo)志d ,單擊右鍵,功能。選擇 delete events , 關(guān)閉 action event設(shè)置斷點(diǎn)如果需要程序在某些地方停止執(zhí)行，可以設(shè)置軟件斷點(diǎn)，程序運(yùn) 行到該行之前會(huì)停止?？梢栽O(shè)置斷點(diǎn)的程序行左邊有地址顯示，在地址行右邊空白區(qū)域單擊，可 以加入一 個(gè)斷點(diǎn)，斷點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)識(shí) 戚，設(shè)定了斷點(diǎn)的行顯示為紅色。程序執(zhí)行到斷點(diǎn)行將停止。要去掉斷點(diǎn)，只需單擊斷點(diǎn)標(biāo)識(shí) 般 即可。4.2 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查

22、無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表， 指針式萬(wàn)用表。4.3 測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）測(cè)試次數(shù)飛起高度是否h到b區(qū)飛行時(shí)間a次35cm否2s第二次50cm否2s第三次38cm否4s第四次65cm是5s第五次45cm否6s第六次70cm是8s第七次65cm是8s4.3.2 測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，基本可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，說明我們的硬件和軟件的設(shè)計(jì) 基本趨于合理，達(dá)到要求。附錄1:電路原理圖洶 pi 仙 2 k汽球 二15l l -h國(guó)x11'二 ei"j nzpifi i fl .二八io.-itii

23、fp12q/amhqp41p42fti<mn<j(m pmi/tmswtcwtresetpl24/xn/exclkspi23/xt1 pijmnim pi22/x2/exclkh2u3uregcvssevsmivdoevddo匚 z<m王 nvaedfnvkcelws /<>2ml x<蔚 f笈露 m>w=zf kd a-wh>ywhz-c更 sci*q3ugg-01 - - w三工3二s/s二之s s«s-as = 51 ootei?-00 一及 mmljlhtmrmdfewe芝心三爸,星一工字二pi47/ami8phi*plivsl

24、ku0/s£ldopi 1用kmvrxlwnjolriixsljadofl 2/s(x)fl/txd(yr<mjltxdpmxdj抬 30pl 4/rxd2/sj2wsda20pls/sck2wsl20rl78/g13-lqfp64ipie/tjoi/ttmjlflntpspl?/r>02/to0l2p55pmpu山rjlts/ldj:二<= m，r、一 二 x175me-主爸 £ 昌cmoem xcxmu/wd 一一 一二上hsbr-d 一二±4三史最富=lr-d e(菁菱rr-d -oos/oxscd 一。<凸£ 2£dlz守五仔r-d shls/lgm.tdlnln hww j-dlz_z 皂 aw 二ell-m 芝e hrkvackloeled£m.p5i/1jsitp2/soi1鄰nj5*,47居市而“n p高密他2版44至下融43石而心npi，就41n p 而"n而加"市加% 二 p.f箝icp同斯n p演j1飛正mn 二 pi 而33>rrai主程序extern s_float_xyz q_angle;extern pid pid_rol,pid_pitch,pid_yaw;uint16_t cnt;void delayms(uint16