基于ARDUINO STM32無人機(jī)快遞機(jī)器人

1、 甘肅省第十屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽 基于ARDUINO STM32無人機(jī)快遞機(jī)器人 姓名：朱生彥 學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院聯(lián)系電話導(dǎo)老師：寇元哲 劉浩瑞 2目錄摘要 一整體結(jié)構(gòu)31.機(jī)體部分3 1.1機(jī)架.3 1.2電子調(diào)速器.3 1.3無線通訊模塊.3 1.4電源模塊.3 1.5槳.3二動力部分4三運(yùn)動部分5四控制部分71.避障部分72.抓取部分8五控制模型分析11六控制算法12七參考文獻(xiàn)13摘要應(yīng)對現(xiàn)在快遞行業(yè)所面對的一大困難，快遞派送的難題，六旋翼憑借自身質(zhì)量輕，體積小，活動空間小，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，在主控的基礎(chǔ)上，又嵌入一塊芯片，實(shí)現(xiàn)雙芯片控制，在此基

2、礎(chǔ)上加載了超聲波，實(shí)現(xiàn)了自動避障，又加載了機(jī)械手，可以自由抓取物體，經(jīng)過實(shí)際操作實(shí)驗后，充分肯定了這一設(shè)方案AbstractShould now express industry has to face a difficulty, express delivery problems, six rotor with its light weight, small volume, small activity space, the advantages of high stability, on the basis of main control and embedded a chip to ac

3、hieve dual chip control, based on loaded ultrasonic, the realization of the automatic obstacle avoidance, and loading of the manipulator, can be free t o grab objects, after the actual operation experiment, fully affirmed the design scheme關(guān)鍵字：超聲波 ARDUINO STM32 舵機(jī) 一 整體結(jié)構(gòu)1.機(jī)體部分1.1機(jī)架六旋翼飛行器的框架和布局較為簡單，呈“

4、X字形”，所以機(jī)械加工出符合要求的機(jī)架和平臺是可行的。而且可以根據(jù)自身的條件和六旋翼飛行器功能的要求來選擇合適的六旋翼飛行器的配件，如機(jī)架材料的選擇等。六旋翼飛行器樣機(jī)重量約為1.5kg，軸距均為750cm，成對稱布局。1.2電子調(diào)速器電子調(diào)速器（electronic speed controller，ESC）。針對控制電機(jī)不同，可分為有刷電子調(diào)速器和無刷電子調(diào)速器，根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過電子調(diào)速器可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)的速度跟流過的電流有關(guān)也就是跟加在兩端的電壓有關(guān)，但是單片機(jī)并不能輸出可調(diào)的直流電壓，而是用脈寬調(diào)制（PWM）方式來控制電機(jī)的輸入電壓。通過控制 pwm 可以實(shí)

5、現(xiàn)對加在兩端實(shí)際等效電壓的控制從而實(shí)現(xiàn)控制速度，PWM 占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。1.3無線通信模塊通過現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)建立遙控器和飛行器的通信鏈路。操控人員通過遙控器向六旋翼飛行器傳輸飛行和任務(wù)控制指令?；诔杀究紤]，本系統(tǒng)采用的是天地飛FT06-A 六通遙控設(shè)備，從LM393G 芯片的引腳1 引出PPM 和信號(Pulse PositionModulation sum signal)供飛行控制板采集1.4電源模塊為六旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)、無刷電機(jī)等提供電源。由于六旋翼飛行器載重量有限，所以電源系統(tǒng)應(yīng)該盡可能輕，能量密度要大。考慮到線性穩(wěn)壓方式轉(zhuǎn)換效率不高，能量損

6、耗大的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)改用開關(guān)電源的方式來穩(wěn)壓。但開關(guān)電源會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，而且存在電源波紋，這樣對PPM 的遙控方式影響就很大。1.5槳螺旋槳是靠槳葉在空氣中旋轉(zhuǎn)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動功率轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力或升力的裝置。它由多個槳葉和中央的槳轂組成,槳葉好像一扭轉(zhuǎn)的細(xì)長機(jī)翼安裝在槳轂上,電機(jī)軸直接與槳轂相連接并帶動它旋轉(zhuǎn)，該設(shè)計采用定距螺旋槳，它的槳距（或槳葉安裝角）是固定的，定距螺旋槳構(gòu)造簡單，重量輕，在功率很小的輕型飛行器上得到廣泛應(yīng)用。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，槳葉不斷把大量空氣向后推去，在槳葉上產(chǎn)生一向前的力，即推進(jìn)力。一般情況下，螺旋槳除旋轉(zhuǎn)外還有前進(jìn)速度。四旋翼飛行器上的“螺旋槳”其實(shí)是旋轉(zhuǎn)中的機(jī)翼，正確名

7、稱為“旋翼”，其相對氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度合成。槳葉上的氣動力在前進(jìn)方向的分力構(gòu)成拉力。在旋轉(zhuǎn)面內(nèi)的分量形成阻止螺旋槳旋轉(zhuǎn)的力矩，由發(fā)動機(jī)的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當(dāng)于翼弦)與旋轉(zhuǎn)平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉(zhuǎn)一圈，以槳葉安裝角為導(dǎo)引向前推進(jìn)的距離稱為槳距。根據(jù)旋翼空氣動力規(guī)律，旋翼的直徑越小、轉(zhuǎn)速越高，能量利用率越低，因此四旋翼飛行器不太適合作大負(fù)載、遠(yuǎn)距離的飛行。本機(jī)采用1147的槳。二.動力部分對多旋翼無人機(jī)的驅(qū)動器做了一系列研究,包括無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量、無刷電機(jī)的特性建模以及無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制器設(shè)計等。多旋翼無人機(jī)采用無刷直流電機(jī)作為動力裝置。對無刷電機(jī)的特點(diǎn)和運(yùn)動特性的分析

8、,是建立在無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的基礎(chǔ)上,設(shè)計了兩種無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的方法:       1.基于霍爾傳感器的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速測量;       2.基于端電壓頻率的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速測量設(shè)計了“PC機(jī)-數(shù)字信號處理器(DSP)-電子調(diào)速器-無刷電機(jī)-霍爾傳感器”的硬件裝置,利用此裝置采樣電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息,并使用MATLAB軟件和非線性回歸分析,建立了無刷電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型,完成了無刷電機(jī)的特性建模。 2.1轉(zhuǎn)子動力學(xué)建模方程轉(zhuǎn)子由無刷直流電機(jī)驅(qū)動，根據(jù)電樞回路中的電壓平衡方程和電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程，建立動力系統(tǒng)的模型如下：

9、根據(jù)電樞回路中的電壓平衡方程和電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程，建立動力系統(tǒng)的模型如下： (2,3) 因為四旋翼飛行器使用的無刷直流電機(jī)電感很小，二階無刷直流電機(jī)動力學(xué)可近似為：由于負(fù)載力矩只有螺旋槳和部分零件之間相對運(yùn)動摩擦產(chǎn)生的熱能可忽略。則，d 是螺旋槳的阻力系數(shù)。 是電機(jī)時間常數(shù)。引入旋翼，（2.3）式可寫為 (2,4) 式子（2.4）在運(yùn)行點(diǎn)0 寫為線性化的形式： 接下來設(shè)計了兩種控制器來實(shí)現(xiàn)對無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時控制,分別為開環(huán)控制器和閉環(huán)控制器。基于無刷電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型,根據(jù)給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源電壓,解算出控制信號PWM波占空比,實(shí)現(xiàn)了對無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制;采用模糊控制結(jié)合專家系統(tǒng)參數(shù)自整定

10、PID控制的方法,從而減小了無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的上升時間,提高了電機(jī)的響應(yīng)速度,實(shí)現(xiàn)了無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。 最后,結(jié)合多旋翼無人機(jī)驅(qū)動器的實(shí)際應(yīng)用,設(shè)計了基于DSP的多旋翼無人機(jī)驅(qū)動電路,制作了相應(yīng)的印刷電路板,并使用印刷電路板完成了多個電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤慣性測量單元(IMU)給定信號的實(shí)驗,取得了較為理想的結(jié)果。果。三.運(yùn)動部分?jǐn)?shù)學(xué)建模多旋翼無人機(jī)具有體積小、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的單旋翼無人機(jī)相比,多旋翼無人機(jī)不需要尾槳來抵消反轉(zhuǎn)力矩,使得多旋翼無人機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、消耗小、安全性高建模采用了基本的物理方程，并假設(shè)飛行器的空氣動力學(xué)系數(shù)是固定的，忽略機(jī)體機(jī)械振動、傳感器感應(yīng)姿態(tài)方面的延

11、遲和傳感器的噪聲影響（溫飄等），通過建模確立的參數(shù)要根據(jù)實(shí)驗飛行數(shù)據(jù)經(jīng)過微調(diào)才能滿足要求。 (1)建立四旋翼飛行器旋翼空氣動力學(xué)方程。對旋翼空氣動力學(xué)方程進(jìn)行了適當(dāng)簡化。(2)建立動力系統(tǒng)模型。根據(jù)電機(jī)軸上的動量定理和電樞回路電壓平衡方程，推導(dǎo)出由直流電機(jī)和旋翼組成的動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。Euler 角( , , )是時域變化的連續(xù)函數(shù)，它們與用陀螺儀得到的體坐標(biāo)系中繞三軸轉(zhuǎn)動角速度( p,q, r)是不同的。本實(shí)驗是用慣性測量單元測量飛行器旋轉(zhuǎn)的。通過變換矩陣可得： (2,6)使用拉格朗日和其推導(dǎo)公式可得到運(yùn)動方程： (2,7)其中， L 是拉格朗日量、 廣義坐標(biāo)i q 是時間的函數(shù)、 i q

12、& 是廣義速度。i 是廣義力。則運(yùn)動方程可表示為： (2,8)剛體的姿態(tài)可以用三個基本旋轉(zhuǎn)矩陣來決定?？紤]采用右手坐標(biāo)系，三個圍繞單軸的轉(zhuǎn)動可用下式分別表示：R(x, ) 繞x軸旋轉(zhuǎn)；R( y, ) 繞y軸旋轉(zhuǎn)；R(z, ) 繞z軸旋轉(zhuǎn)；則完整的旋轉(zhuǎn)矩陣可用下式表示： (2,9)假設(shè)地面坐標(biāo)系的正交基X ,Y,Z ，體坐標(biāo)系的正交基x, y, z ，機(jī)體上任何一點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)可用下式來表示： (2,10)通過求導(dǎo)，可得機(jī)體任意質(zhì)點(diǎn)在地面坐標(biāo)系中的速度。四旋翼飛行器的動力學(xué)模型可描述為側(cè)傾，俯仰和偏航旋轉(zhuǎn)，此外也要考慮必然包含機(jī)體轉(zhuǎn)動、螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)連同螺旋槳本身轉(zhuǎn)動以及無刷電機(jī)

13、運(yùn)動產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)扭矩： (2,11)其中，坐標(biāo)系中oxz,oyz平面是對稱平面，即慣性積 , I xy zy xz = 0若設(shè)M sumthrust 是總升力慣性力矩；M xprop 是螺旋槳3 和螺旋槳4 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩；M yprop 是螺旋槳1 和螺旋槳2 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩；M zprop是螺旋槳（1，2）和螺旋槳（3,4）旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的總力矩。其表達(dá)式分別如下： (2,12)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)如下： (2,13)其中r J 是螺旋槳轉(zhuǎn)動慣量，是螺旋槳角速度，那么螺旋槳旋轉(zhuǎn)作用在(x, y, z)軸上的總力矩分別為： (2,14)建立動態(tài)模型時除了考慮旋翼的旋轉(zhuǎn)，還包含了剛體和旋

14、翼旋轉(zhuǎn)的陀螺效應(yīng)。對于四旋翼飛行器，陀螺效應(yīng)對其建模的影響相對無刷電機(jī)可以忽略，尤其在近懸停(near-hover)狀態(tài)時。為了設(shè)計該系統(tǒng)的多PID 控制器(R. Longchamp，1995)，可以忽略陀螺效應(yīng)，從而消除交叉耦合(cross coupling)。動力學(xué)模型可簡化為： (2,15)把轉(zhuǎn)子動力學(xué)引入（13）式，并進(jìn)行拉普拉斯變換： (2,16)其中，A、B、C 是線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)系數(shù)，已在式（2.5）中描述。C 相對B 太小，可忽略。四.控制部分4.1避障部分避障思路如下：避障程序框圖如下：多旋翼中輸出信號基本都為PWM信號，其1000為最低點(diǎn)，1500為中立點(diǎn)，2000為最高點(diǎn)。

15、開發(fā)過程中選用arduino進(jìn)行開發(fā)#include<Servo.h>#define AIL1   22     /AIL fuyi#define ELE2   24     /ELE shengjiang#define THR3   26     /THR youmen#define RUD4   28     /RUD fangxiangunsigned long INAIL;unsigned long INELE;unsigned long INTHR;un

16、signed long INRUD;int OUTAIL;int OUTELE;int OUTTHR;int OUTRUD;Servo AIL;Servo ELE;Servo THR;Servo RUD;void setup()   pinMode(AIL1,0);pinMode(ELE2,0);pinMode(THR3,0);pinMode(RUD4,0);AIL.attach(4);ELE.attach(5);THR.attach(6);RUD.attach(7);Serial.begin(9600);void loop()INAIL = pulseIn(AIL1, 1);INE

17、LE = pulseIn(ELE2, 1);INTHR = pulseIn(THR3, 1);INRUD = pulseIn(RUD4, 1);OUTAIL = map(INAIL,1010,2007,47,144);OUTELE = map(INELE,1010,2007,47,144);OUTTHR = map(INTHR,1010,2007,47,144);OUTRUD = map(INRUD,1010,2007,47,144);AIL.write(OUTAIL);ELE.write(OUTELE);THR.write(OUTTHR);RUD.write(OUTRUD);Serial.p

18、rint("AIL=");Serial.print(INAIL);Serial.print(" ELE=");Serial.print(INELE);Serial.print(" THR=");Serial.print(INTHR);Serial.print(" RUD=");Serial.print(INRUD);delay(5);這段代碼主要用來讀取接收機(jī)的PWM值，pluseIn（）函數(shù)可以讀取指定端口的電平脈沖時間。其還調(diào)用了arduino 的舵機(jī)庫的舵機(jī)函數(shù)來控制，其中可以看出，OUTTHR = map(

19、INTHR,1010,2007,47,144); 這是個縮放函數(shù)，讓1010-2007縮放為47-144，在取樣的時候arduino讀取的PWM寬度在1000-2000之間，但是有些值是大于2000的，那么取一個更大的區(qū)間，來“裝”PWM的區(qū)間，所以是1000-2007，讓arduino自己給自己測脈沖時間，寫一個代碼，用 pluseIn（）函數(shù)，讓任意一個端口輸出一個90度的舵機(jī)角度值，也就是xxxx.write(90); 然后把這個端口接在arduino其他任意一個數(shù)字端口上，用pluseIn（）去測這個90度的脈寬是多少，比如90度測出來脈沖時間是1500，大了，找到1000-2000范

20、圍的那個舵機(jī)角度，我們再來一個30度，或者170度，就這樣把范圍越縮越小，最后找出了他們之間的關(guān)系，47度的舵機(jī)輸出，用pluseIn（）去測量剛好在1000左右，那么地、低位就找到了，同樣高位在144度上 脈沖寬度時間是2000左右，這時arduino就原封不動的把接收機(jī)的信號吃進(jìn)去了，又吐出來給飛控，至此，arduino已經(jīng)完全潛入飛機(jī)控制系統(tǒng)。1.使用電壓：DC5V2.靜態(tài)電流：小于2mA3：電平輸出：高5V4：電平輸出：低0V5：感應(yīng)角度：不大于15度6：探測距離：2cm-450cm7:高精度：可達(dá)3mm接線方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND地線一個控制口

21、發(fā)一個10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時器計時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離.如此不斷的周期測,就可以達(dá)到你移動測量的值了模塊工作原理：(1)采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;(2)模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2串口調(diào)試的相關(guān)數(shù)據(jù)，加上濾波后數(shù)據(jù)可能更加平滑，Time表示已經(jīng)運(yùn)行的時間（S）。4.2抓取部分抓取部分直接由主控控制，嵌入第七，第八通道控制舵機(jī)，輸出PWM值大于1500，小于1950時舵機(jī)接受信號，然后在這個區(qū)間中調(diào)試PWM值找到合適的控制信號。五.控制模型分析飛行過程中六旋翼飛行器不但同時受到多種物理效應(yīng)的作用比如空氣動力、空氣密度和陀螺效應(yīng)等還容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此很難獲得準(zhǔn)確的氣動性能參數(shù)難以建立有效、準(zhǔn)確的動力學(xué)模型。其次設(shè)計采用現(xiàn)代控制理論的控制器雖然現(xiàn)代控制理論設(shè)計的控制器理論上性能非常好甚至可以設(shè)計數(shù)學(xué)上最優(yōu)的控制器。再次利用慣性測量單元獲得四旋翼飛行器的姿態(tài)等信息通過狀態(tài)估計方法獲得必要的狀態(tài)反饋是實(shí)現(xiàn)自主飛行控制的難點(diǎn)。六旋翼飛行器的