四旋翼自主飛行器副本

1、學(xué)校統(tǒng)一編號 JMSU-B-001學(xué)校名稱佳木斯大學(xué)隊長姓名夏玉峰隊員姓名張振林武寧波指導(dǎo)教師姓名蔣野2018年9月7日四旋翼自主飛行器目錄摘要：3一、系統(tǒng)方案論證 41.1姿態(tài)模塊地論證與選擇 1.2電源模塊地論證與選擇41.3飛行方式地論證與選擇51.4電機驅(qū)動模塊地論證與選擇54二、系統(tǒng)理論分析與計算62.1模糊控制算法地分析62.2系統(tǒng)電流估算8三、電路與程序設(shè)計 83.1電路地設(shè)計8系統(tǒng)總體框圖8電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖9電源93.2程序地設(shè)計10程序功能描述與設(shè)計思路10程序流程圖11四、測試方案與測試結(jié)果 124.1測試方案124.2測試條件與儀器124.3測試結(jié)果及分析

2、12測試結(jié)果（數(shù)據(jù)124.3.2 測試分析與結(jié)論 13摘要:四旋翼飛行器由主控制器、姿態(tài)采集器、電機驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)、電源、防撞圈等六部分組成.其中,控制核心采用瑞薩單片機VR5F100LEA ）負責(zé)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)接收和飛行姿態(tài)控 制；采用AHRS模塊<9軸姿態(tài)儀）地姿態(tài)采集器做飛行姿態(tài)反饋機構(gòu)；用四塊 MOS管搭 建大功率驅(qū)動器來驅(qū)動電機；執(zhí)行機構(gòu)采用四路空心杯電機實現(xiàn).該飛行器還采用了模糊控制算法對當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，同時，解算出相應(yīng)電機地PWM增減量，及時調(diào)整飛行姿態(tài)，使 飛行器地飛行地更加穩(wěn)定電源采用集成開關(guān)穩(wěn)壓塊給單片機供電，使得單片機電源穩(wěn)定高效 關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；模糊控

3、制算法；陀螺儀Abstract :The four rotor aircraft by the power supply, main controller, attitude collector , motordriver, actuators, anticollision ring and so on six parts. Integrated a switching power supply adopts LM2596S on to the system power supply 。Main controller for renesas MCU （R5F100LEA>, is mai

4、nly responsible for to calculating the spacecraft attitude and offer four road PWM motor respectively。Gestures collector the AHRS - DEMO six axisgyroscope as the spacecraft attitude feedback mechanism。 With four pieces of MOS tubestructures, high-power power drive to drive motor 。 The hollow cup mot

5、or actuators for four road. This aircraft USES the fuzzy control algorithm to deal with the attitude data tran sformatio n, makes the aircraft flight attitude more stable. The aircraft has completed the basic requirement of the topic.Keywords: four rotor aircraft ； gyroscope fuzzy control ； algorith

6、m亠、系統(tǒng)方案論證系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、姿態(tài)采集模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、空心杯電機 和防撞圈等六部分組成，采用X型飛行模式，下面分別論證這幾個模塊地選擇.1.1姿態(tài)模塊地論證與選擇方案一:MPU6050三軸陀螺儀.MPU6050三軸陀螺儀就是可以在同一時間內(nèi)測量六個不同方向地 加速、移動軌跡以及位置地測量裝置.單軸地話，就只可以測定一個方向地量，那么一個三軸陀 螺就可以代替三個單軸陀螺它現(xiàn)在已經(jīng)成為激光陀螺地發(fā)展趨向，具有可靠性很好、結(jié)構(gòu)簡 單不復(fù)雜、重量很輕和體積很小等等特點，但是其輸出數(shù)據(jù)需要大量地浮點預(yù)算才能保證較 高地精度,這樣會影響單片機對最終地姿態(tài)控制地響應(yīng)速率光纖陀螺儀

7、.光纖陀螺儀是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)地敏感元件，由激光二極管發(fā)射出地光 線朝兩個方向沿光導(dǎo)纖維傳播光傳播路徑地變化，決定了敏感元件地角位移光纖陀螺儀壽命 長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動,結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小,重量輕,但是成本較高AHRS模塊.AHRS模塊包含了 MPU6050（集成3軸陀螺儀和3軸加速度計、 HMC5883LV3軸地磁傳感器），BPM180氣壓高度計等模塊.且AHRS模塊內(nèi)部已經(jīng)進行一些 數(shù)據(jù)處理，通過串口直接輸出飛行器地當(dāng)前姿態(tài)狀態(tài) ，減少了單片機進行姿態(tài)解算地運行時間 消耗,進一步提高了單片機對飛行器地姿態(tài)控制.綜合以上三種方案，我們選擇了方案三1.2電源模塊地論證與選擇飛行器地電機電

8、源由 7.4伏地航模專用鋰電池直接提供，而瑞薩單片機地工作電壓在3.35.5伏之間，所以系統(tǒng)需要進行一次電壓轉(zhuǎn)換，為控制核心供電，其質(zhì)量直接決定了系統(tǒng)地穩(wěn)定性.LM7805模擬電源模塊.用LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需地外圍元件 極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管地保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜.然 而在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大地散熱器當(dāng)然小功率地條件下不用）當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞.LM2596開關(guān)電源模塊丄M2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)地 3A電流輸出降壓開 關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片,它內(nèi)含固定頻率振蕩器V150K

9、HZ ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器1.23v ），并具有完善地 保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等.利用該器件只需極少地外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電 路.提供有：3.3V、5V、12V及可調(diào)v-ADJ ）等多個電壓檔次產(chǎn)品.而且2596地功耗較小，效 率較高,適合在航模中使用以提高續(xù)航時間，能滿足該系統(tǒng)中電路要求.方案三:AMS1117.AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版,設(shè)計用于提供1A輸出電流 且工作壓差可低至1V.在最大輸出電流時,AMS1117器件地壓差保證最大不超過 1.3V,并隨 負載電流地減小而逐漸降低.AMS1117地片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到 1.5%地誤差以內(nèi)，而且 電流限制也得

10、到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成地壓力 .但是能提供地電 流較小,且在大電流工作狀態(tài)下易發(fā)熱.而綜合以上三種方案，選擇方案二.1.3飛行方式地論證與選擇方案一:十字飛行方式.四軸地四個電機以十字地方式排列，調(diào)整地時候應(yīng)該對角調(diào)整，但是它靈活 性和可調(diào)性有限.X行飛行方式.四軸地四個電機以X字地方式排列，調(diào)整地時候應(yīng)該相鄰兩個調(diào)節(jié)，靈活性 和可調(diào)性較高.X型飛行方式非常自由靈活，旋轉(zhuǎn)方式多樣，可以花樣飛行，也可以做出很多 高難度動作.綜合以上兩種方案，選擇了方案二.1.4電機驅(qū)動模塊地論證與選擇方案一:L298N驅(qū)動模塊.采用L298N控制芯片，通過單片機I/O 口輸入改變控制端

11、地電平, 即可實現(xiàn)5V直流電機正反轉(zhuǎn)、停止地操作.運用此方案可以很好地利用單片機程序控制達到控制電機地目地.但是經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)飛行器地四路空心杯電機同時運作時電流達到56安培,然而L298N承受不了如此大地電流.4路MOS電流放大電路.通過MCU輸出地信號控制MOS管地通斷,達到放大驅(qū)動電流控 制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn).該電路簡單,驅(qū)動能力強,體積小，非常適合作為小型空心杯電機地驅(qū)動 .與 L298N驅(qū)動相比較,具有驅(qū)動簡單，控制方便，而且面積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點綜合以上兩種方案，選擇了方案二二、系統(tǒng)理論分析與計算2.1模糊控制算法地分析因為四旋翼飛行器由四路電機帶動兩對反向螺旋槳來產(chǎn)生推理，所以如何保證電

12、機在平穩(wěn)懸浮或上升狀態(tài)時轉(zhuǎn)速地一致性及不同動作時各個電機轉(zhuǎn)速地比例關(guān)系是飛行器按照期望姿 態(tài)飛行地關(guān)鍵經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)用模糊控制算法處理姿態(tài)數(shù)據(jù)地效果比采用單純地PID算法實現(xiàn)更加穩(wěn)定可靠，但是需要處理地運算增多，使得單片機單位時間內(nèi)進行姿態(tài)矯正地次數(shù) 減少,從而一定程度上影響了系統(tǒng)地響應(yīng)速度模糊控制算法是對手動操作者地手動控制策略、經(jīng)驗地總結(jié)模糊控制算法有多種實現(xiàn)形式.采用應(yīng)用最早、最廣泛地查表法可大大提高模糊控制地時效性，節(jié)省內(nèi)存空間，本自主飛行器地設(shè)計就采用了查表法.控制時針對于不同地飛行姿態(tài)將每個電機對應(yīng)地運行狀態(tài)分別存 放在四個五行五列地數(shù)組中，系統(tǒng)運行時將從陀螺儀處解算出地姿態(tài)數(shù)據(jù)

13、與數(shù)組中地數(shù)據(jù)對 比，查找并映射到相應(yīng)地隸屬區(qū)間，然后在隸屬地區(qū)間處取得最優(yōu)解進行姿態(tài)矯正.算法分析如下：如圖1為算法轉(zhuǎn)化分析圖.90度0度如圖2為為隸屬區(qū)間劃分圖.Fuzzy處理圖1算法轉(zhuǎn)化過程0-3NB NS Z圖p|隸屬針對不同狀態(tài)設(shè)置地控制規(guī)則表格如下：|1）、-90度飛行 /器油門卄氾80圍也.即XxJ占T空03-3Roll 軸丄nb4NS / /Z ps；PBPitch 軸-3-2-i 0 i23NBPwmPSPwmPSPwmPBPwmPBPwmPBNSPwmZPwmZPwmPSPwmPSPwmPBZPwmNSPwmZPwmZPwmPSPwmPBIPSPwmNSPwmZPwmZPw

14、mZPwmPSPBPwmNSPwmNSPwmNSPwmZPwmPS、第二路電機地控制規(guī)則如下）2Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmPBPwmPBPwmPBPwmPSPwmZNSPwmPBPwmPSPwmZPwmZPwmNSZPwmPBPwmPSPwmZPwmZPwmNSPSPwmZPwmZPwmZPwmZPwmNSPBPwmNSPwmZPwmNSPwmNSPwmNS、第三路電機地控制規(guī)則如下）3Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmPBPwm ZPwm NSPwmNSPwmNSNSPwm PSPwmZPwmZPwmZPwmNSZPwmPBPwmPSPwmZP

15、wmZPwmNSPSPwmPBPwmPSPwmPSPwmZPwmZPBPwmPBPwmPBPwmPBPwmPSPwmPS4、第四路電機地控制規(guī)則如下Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmNSPwmNSPwmNSPwmZPwmZNSPwmNSPwmZPwmZPwmZPwmPSZPwmNSPwmZPwmZPwmPSPwmPBPSPwmPSPwmZPwmPSPwmPSPwmPBPBPwmPSPwmPSPwmPBPwmPBPwmPB2.2系統(tǒng)電流估算經(jīng)測得每個電機內(nèi)阻約為6Q左右，電機兩端電壓為 7.4伏，則可得系統(tǒng)總電流約為：安培.普通地電機驅(qū)動在此情況下發(fā)熱快很容易燒壞，所以選用額

16、定電流大地MOS管驅(qū)動電機.電源MCinI電源電機R12R1N822RIN12-nr 圭三、電路與程序設(shè)計3.1電路地設(shè)計系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3所示.電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖圖4MPU6050子系統(tǒng)電路GNDMotor2、電機驅(qū)動子系統(tǒng)電路-jiOnPWM10K電機2也訂紳I"r . cmi fejr feE -Ll.LI電機驅(qū)動MOS管AHRS模塊電機3PWM圖5電電機1電機41、電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖丹4M.UWWiKOk"!«.HJiS*HIT； dlAdFn'EXICItVtU-JF >4-Uj.7ravKkttvnn*4圖6電機驅(qū)

17、動子系統(tǒng)電路電源電源由濾波部分、穩(wěn)壓部分組成為整個系統(tǒng)提供5V或者7.5V電壓，確保電路地正常穩(wěn) 定工作這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現(xiàn)，故不作詳述圖7電源子系統(tǒng)電路3.2程序地設(shè)計程序功能描述與設(shè)計思路1程序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要分為三部分，第一部分為無刷電機驅(qū)動部分，利用瑞薩單片機 內(nèi)部定時器地多路 PWM輸出功能，實現(xiàn)無刷電機驅(qū)動；第二部分為 AHRS模塊數(shù)據(jù)接收部 分，利用瑞薩單片機內(nèi)部串口 USART0地接收中斷，接收當(dāng)前歐拉角輸出；第三部分是姿態(tài)控 制部分，根據(jù)接收到地歐拉角與目標(biāo)歐拉角之間地差值，運用模糊控制算法，解算出相應(yīng)電機地 PWM調(diào)整量，設(shè)定定時地PWM

18、輸出，使飛行器姿態(tài)平衡.2、程序設(shè)計思路本設(shè)計地程序結(jié)合瑞薩單片機地特點，主要實現(xiàn)思路為：單片機上電、延時等待電源穩(wěn) 定、減少電源波動對系統(tǒng)地干擾，之后利用定時器設(shè)定電機 PWM周期、串口初始化，在串口 中斷服務(wù)函數(shù)中不斷接收 AHRS模塊發(fā)送地數(shù)據(jù)，且為了數(shù)據(jù)地有效性設(shè)定特定幀頭、狀態(tài) 位、結(jié)束位和校驗位.在初始化結(jié)束后，設(shè)定目標(biāo)姿態(tài)、進入循環(huán)函數(shù)，不斷檢測AHRS數(shù)據(jù)是 否接受完成，一旦接收到有效地姿態(tài)數(shù)據(jù)，就進入姿態(tài)控制函數(shù).在姿態(tài)控制函數(shù)內(nèi)部，利用當(dāng)前 四軸飛行器地Rollv翻滾）和pitch 俯仰）數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊控制算法，解算出不同姿態(tài)時，每個 空心杯電機需要地調(diào)整量控制電機，這樣不斷地接受姿態(tài)數(shù)據(jù)，解算數(shù)據(jù)，調(diào)整量輸出，使四軸飛 行器穩(wěn)定地飛行.322程序流程圖圖8程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1硬件測試首先，先把四軸飛行器分塊拆解，用最小地最輕地元件和電路板按照配重地需要安裝在四 軸飛行器上,并安裝上保護圈.再用物理方法測量重心，使其重心維持在四軸飛行器地中心.通過電源對做好地電壓轉(zhuǎn)換器進行測試，使其穩(wěn)定在單片機地工作范圍，盡量使其保持穩(wěn)疋.,2、軟件