四旋翼設(shè)計(jì)報(bào)告

1、四旋翼自主飛行器(A題)摘要 四旋翼飛行器是無(wú)人飛行器中一個(gè)熱門的研究分支，隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展與慣導(dǎo)傳感器精度的提高，四旋翼飛行器在近些年得到了快速的發(fā)展。為了滿足四旋翼飛行的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)以STM32F103VET6作為四旋翼自主飛行器控制的核心，處理器內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，工作電壓3.3V-5.5V。該四旋翼由電源模塊、電機(jī)電調(diào)調(diào)速控制模塊、傳感器檢測(cè)模塊、飛行器控制模塊等構(gòu)成。飛行姿態(tài)檢測(cè)模塊是通過(guò)采用MPU-6050模塊，整合3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)，檢測(cè)飛行器實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行器運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向的精準(zhǔn)控制。傳感器檢測(cè)模塊包括紅外障

2、礙傳感器、超聲波測(cè)距模塊，在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)PID 控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可通過(guò)各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，具有平均速度快、定位誤差小、運(yùn)行較為穩(wěn)定等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；STM32；飛行姿態(tài)控制；串口PID 目錄1 系統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇.- 2 -1.1 地面黑線檢測(cè)傳感器.- 2 -1.2 電機(jī)的選擇與論證.- 2 -1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證.- 2 -2 四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計(jì).- 3 -2.1 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型.- 3 -2.2 PID 控制算法結(jié)構(gòu)分析.- 3 -3 硬

3、件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).- 4 -3.1 飛行控制電路設(shè)計(jì). .- 5-3.2 電源模塊. .- 5 -3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.- 5-3.4 傳感器檢測(cè)模塊.- 5-4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì).- 5 -5 測(cè)試與結(jié)果分析.- 6 -5.1 測(cè)試設(shè)計(jì).- 6 -5.2 測(cè)試結(jié)果.- 6 -6 總結(jié).-6-1 系統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇 根據(jù)題目要求，對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)及其控制特性進(jìn)行了分析，進(jìn)行了幾種不同設(shè)計(jì)方案的比較。1.1 地面黑線檢測(cè)傳感器 測(cè)地面黑線的基本原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白色地面對(duì)光的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線。可實(shí)現(xiàn)的方案有： 方案一：采用普通發(fā)光

4、二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案。該方案在實(shí)際使用時(shí)，容易受到外界光源的干擾，有時(shí)甚至檢測(cè)不到。主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響。雖然可采取超高高度發(fā)光二極管降低一定的干擾，但這又增加額外的功率損耗。方案二：紅外避障傳感器E18-D80NK。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，有效的避免了可見(jiàn) 光的干擾。透鏡的使用，也使得這款傳感器最遠(yuǎn)可以檢測(cè)80 厘米距離。檢測(cè)障礙物的距離可以根據(jù)要求通過(guò)尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)

5、。比較以上二種方案，方案二占有很大優(yōu)勢(shì)，不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量，而且能避免電路的復(fù)雜性，因此選擇方案二。1.2 電機(jī)的選擇與論證 四旋翼無(wú)人飛行器是通過(guò)控制四個(gè)不同無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制四旋翼無(wú)人飛行器的飛行姿態(tài)和位置，與傳統(tǒng)直升機(jī)通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角，達(dá)到控制直升機(jī)的目的不同。在電機(jī)的選型上，主要有直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)兩種。 方案一：直流有刷電機(jī)是當(dāng)前普遍使用的一種直流電機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制方法成熟，但是直流有刷電機(jī)使用電刷進(jìn)行換向，換向時(shí)電刷與線圈觸電存在機(jī)械接觸，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高速轉(zhuǎn)動(dòng)使極易因磨損導(dǎo)致電氣接觸不良等問(wèn)題，而且有刷電機(jī)效率低、力矩小、重量大，不適合對(duì)功

6、率重量比敏感的電動(dòng)小型飛行器。 方案二：直流無(wú)刷電機(jī)能量密度高、力矩大、重量輕，采用非接觸式的電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了直流有刷電機(jī)的缺點(diǎn)，適用于對(duì)功率重量比敏感的用途，同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)的可靠性。所以選擇直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源。1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇與論證方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二:采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單

7、，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三:采用全橋驅(qū)動(dòng)PWM 電路。這種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是使管子工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提高使用效率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的微調(diào)。并且保證了可以簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)方向控制。基于上述理論分析，選擇方案三。2 四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計(jì)2.1 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型 設(shè)計(jì)的小型四旋翼飛行器適用于室內(nèi)低速飛行，因此忽略空氣阻力的影響。因此，簡(jiǎn)化后的飛行器動(dòng)力學(xué)模型為:式中x y zT 為四旋翼飛行器在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的線位移，x y zT 為運(yùn)動(dòng)加速度，m為飛行器質(zhì)量,分別為機(jī)體的偏航角、俯仰角和橫滾角，l為旋翼面中心到四旋翼飛行器質(zhì)心的距離，IX，I

8、Y，IZ 為軸向慣性主矩。該動(dòng)力學(xué)模型對(duì)四旋翼飛行器的真實(shí)飛行狀態(tài)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，忽略了空氣阻力等對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響較小的參數(shù)，使得飛行控制算法更加簡(jiǎn)潔。2.2 PID 控制算法結(jié)構(gòu)分析 在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖B-1 所示 使用經(jīng)典PID 控制算法實(shí)現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID 算法簡(jiǎn)單可靠，理論體系完備，而且在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中積攢了大量的使用經(jīng)驗(yàn)，在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性，能提供控制量的較優(yōu)解。 串級(jí)PID：采用的角度P和角速度PID的雙閉環(huán)PID算法->

9、角度的誤差被作為期望輸入到角速度控制器中（角度的微分就是角速度） 對(duì)于本系統(tǒng)則采用了將角度控制與角速度控制級(jí)聯(lián)的方式組成整個(gè)串級(jí) PID 控制器。串級(jí) PID 算法中，角速度內(nèi)環(huán)占著極為重要的地位。在對(duì)四旋翼飛行的物理模型進(jìn)行分析后，可以知道造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的物理表現(xiàn)之一就是不穩(wěn)定的角速度。因此，若能夠直接對(duì)系統(tǒng)的角速度進(jìn)行較好的閉環(huán)控制，必然會(huì)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常也把角速度內(nèi)環(huán)稱為增穩(wěn)環(huán)節(jié)。而角度外環(huán)的作用則體現(xiàn)在對(duì)四旋翼飛行器的姿態(tài)角的精確控制。 外環(huán)：輸入為角度,輸出為角速度內(nèi)環(huán)：輸入為角速度，輸出為PWM增量使用串級(jí)pid，分為：角度環(huán)控制pid環(huán)，和角速度控制環(huán)穩(wěn)定環(huán)。主

10、調(diào)為角度環(huán)（外環(huán)），副調(diào)為角速度環(huán)（內(nèi)環(huán)）。參數(shù)整定原則為先內(nèi)后外，故在整定內(nèi)環(huán)時(shí)將外環(huán)的PID均設(shè)為0所謂外環(huán)就是只是一個(gè)P在起作用，也就是比例在起作用；P也就是修正力度，越大越容易使飛機(jī)震蕩。 震蕩的特點(diǎn)是：頻率小、幅度大 控制回路包含了x, y, z 三個(gè)控制量，因此設(shè)計(jì) 3 個(gè)獨(dú)立的 PID 控制器對(duì)位移進(jìn)行控制。根據(jù)PID控制器的原理，設(shè)kp ，ki ，kd 分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)系數(shù)，有其中，xd ，yd ，zd 為航姿參考系統(tǒng)測(cè)量到的加速度積分得到的位移量。 姿態(tài)控制回路的作用是控制四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)，使其實(shí)際姿態(tài)與設(shè)定的姿態(tài)一致。姿態(tài)控制回路有偏航角、俯仰角和橫滾角三

11、個(gè)控制量，在此忽略三個(gè)通道之間的耦合效應(yīng)，設(shè)計(jì)3 個(gè)獨(dú)立的PID 控制器對(duì)每個(gè)量進(jìn)行獨(dú)立控制。 根據(jù)PID 控制器的原理，設(shè)kp ，ki ，kd 分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)系數(shù)，有控制器方程如B-4。其中比例項(xiàng)系數(shù)為3.3 積分項(xiàng)系數(shù)為0.14 微分項(xiàng)系數(shù)為3.23 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以STM32F103VET6單片機(jī)最小系統(tǒng)板為核心，主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、飛行控制模塊、傳感器檢測(cè)等功能模塊，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2 所示。 3.1 飛行控制電路設(shè)計(jì)飛行控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部分。它在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和飛行器的姿態(tài)信息，完成PID 控制的算法，得到四

12、旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。3.2 電源模塊 電源由一塊11.1V1200am的鋰電池（重量約為166 克）供電，在由電調(diào)降壓給系統(tǒng)中的各個(gè)模塊供5v 電壓并給電機(jī)提供電流，這樣可滿足可滿足各個(gè)小系統(tǒng)的電源要求。3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊四電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)中心控制模塊指令驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速，將電機(jī)的速度通過(guò)測(cè)速反饋裝置反饋給飛行姿態(tài)控制模塊，控制無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，從而控制飛行狀態(tài)，達(dá)到預(yù)期位置和姿態(tài)。通過(guò)電子調(diào)速器給電機(jī)提供電流.3.4 傳感器檢測(cè)模塊傳感器模塊是為四旋翼飛行器的飛行控制提供各種飛

13、行參數(shù)的裝置，包括測(cè)量機(jī)身MPU-6050整合3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)，檢測(cè)飛行器實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)、測(cè)量機(jī)身航向及姿態(tài)信息的羅盤(pán)，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的測(cè)速傳感器、飛行高度傳感器HC-SRO4和黑線檢測(cè)傳感器。4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以STM32F103VET6最小系統(tǒng)板為核心，采用C 語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。主程序主要起導(dǎo)向和決策的作用，系統(tǒng)的控制總流程圖如圖所示。系統(tǒng)包括延時(shí)子程序電機(jī)轉(zhuǎn)速控制子程序，檢測(cè)子程序，副翼子程序。系統(tǒng)控制的總流程圖如圖2-7 所示。5 測(cè)試與結(jié)果分析5.1 測(cè)試設(shè)備模擬區(qū)域：按題目要求設(shè)計(jì)。設(shè)備：秒表、卷尺。測(cè)試環(huán)境為室內(nèi)。5.2 測(cè)試結(jié)果 經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)目前可以基本滿足飛行器起飛與降落。6 總結(jié) 本次設(shè)計(jì)按照題目要求，采用模塊化的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。由于時(shí)間的原因，只能完成基本的起落，以后融入姿態(tài)解算和PID算法，可以完成所有任務(wù)要求。î = × ¢&&&& 電賽設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目：基于STM32的嵌入式四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 參賽人員： 周洋 唐習(xí)洋 王銘楊 專業(yè)班級(jí)： 測(cè)控