四旋翼飛行器答辯演講

1、河北大學 答辯人：巨 星導 師：郝真鳴微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第一章 緒論第二章 四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)和飛行原理第三章 捷聯(lián)慣性導航基本原理第四章 四旋翼飛行器的姿態(tài)檢測第五章 四旋翼飛行器動力學模型第六章 微型四旋翼飛行器實驗平臺的硬件設計第七章 微型四旋翼飛行器實驗平臺的軟件設計第八章 測試結(jié)果和性能分析第九章 總結(jié)與展望論文組織結(jié)構(gòu) 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究固定翼型微飛行器撲翼型微飛行器旋翼型微飛行器研究背景 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第一章 緒論第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)

2、研究早期的四旋翼飛行器 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究 隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，四旋翼飛行器得以小型化、微型化第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究輸電線路巡查空中航拍順豐無人快遞環(huán)境監(jiān)測第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究用于建筑物內(nèi)勘測第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究多智能體集群協(xié)作，空中壁障第一章 緒論 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第一章 緒論德國crazy開源微型四旋翼國內(nèi)某大學微型四旋翼飛行器第二章 四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)和飛行原理 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究 垂直

3、運動俯仰、翻滾運動偏航運動設計所需的理論基礎一、慣性導航基本原理二、姿態(tài)檢測與信息處理三、控制系統(tǒng)設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)是把慣性元件,即陀螺儀和加速度計固定在運機體上, 分別測量運機體相對慣性空間的三個轉(zhuǎn)動角速度和三個線加速度沿運機體坐標系的分量,經(jīng)過計算,得到運機體的位置、速度、航向和水平姿態(tài)等各種導航信息。第三章 捷聯(lián)式慣性導航基本原理 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究導航系統(tǒng)坐標系第三章 捷聯(lián)式慣性導航基本原理 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究飛行姿態(tài)的表示方法1、歐拉角法cos coscos

4、sin sinsin coscos sin cossin sinsin cossin sin sincos cossin sin cossin cossincos sincos cosR第三章 捷聯(lián)式慣性導航基本原理 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究飛行姿態(tài)的表示方法2、四元數(shù)法 剛體繞固定點的任一位移，可由繞通過此點的某一軸轉(zhuǎn)過一個角度而得到。0123cos( )sin( )sin( )sin( )2222(,)Tqijkqq q q q第三章 捷聯(lián)式慣性導航基本原理 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第四章 微型四旋翼飛行器的姿態(tài)檢測 常見的姿態(tài)測量器件有角速度計、加速度計、磁力

5、計、氣壓計，超聲波傳感器和 GPS 等等。 基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器和陀螺儀具有抗沖擊能力強、可靠性高、壽命長、成本低等優(yōu)點，是適于構(gòu)建姿態(tài)檢測系統(tǒng)的慣性傳感器。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第四章 微型四旋翼飛行器的姿態(tài)檢測姿態(tài)傳感器MEMS陀螺儀原理00tdt1、角速度傳感器 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第四章 微型四旋翼飛行器的姿態(tài)檢測姿態(tài)傳感器222222arctan(),arctan()arctan()xyyzxzxyzaaaaaaaaa2、加速度傳感器 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第5章 系統(tǒng)建模及控制器設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研

6、究第5章 系統(tǒng)建模及控制器設計系統(tǒng)數(shù)學模型111234sin/sincos/coscos/()/()/()/yzxzxyxyzxUmyUmzUmglUIIIlUIIIUIII 系統(tǒng)有四個輸入量和六個輸出量，它們之間是非線性關(guān)系。由于是欠驅(qū)動系統(tǒng)，被控量之間存在耦合關(guān)系。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第5章 系統(tǒng)建模及控制器設計控制策略 國際相關(guān)研究都著重進行了姿態(tài)控制器的設計與驗證，結(jié)果表明：盡管采用非線性控制律能夠獲得很好的仿真效果，但由于對模型準確性有很強的依賴，以及受到嵌入式平臺的處理能力的限制，其實際控制效果反而不如PID控制策略。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6

7、章 機載控制系統(tǒng)硬件設計 目標是設計出一個可自主飛行的微型四旋翼飛行器，在對其施以外界干擾時能自動調(diào)節(jié)迅速恢復到平穩(wěn)狀態(tài)，并可配合地面控制平臺完成完成垂直起降、懸停等動作以及對其飛行狀態(tài)信息的采集和分析。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計總體結(jié)構(gòu)設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計設計要求微小型飛行器由于體積小、載荷低等特點，與普通工業(yè)產(chǎn)品相比，對控制系統(tǒng)的硬件設計要求較高，有以下幾個方面要求：(1)要滿足控制系統(tǒng)的性能要求；(2)要集成度要高，尺寸小，能夠安裝在狹小的平臺空間上；(3)要可靠性高，持續(xù)穩(wěn)定工作時間長；(4)

8、要功耗低，重量輕，保證飛行器具有較大的巡航時間；(5)飛行器控制系統(tǒng)要求要有良好的擴展性, 方便日后系統(tǒng)的升級和新功能的擴展。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計動力器件選擇空心杯有刷直流電機的轉(zhuǎn)子無鐵芯，有著較低慣量，動態(tài)響應性好，效率高，易獲取大扭矩，再加上其在質(zhì)量和體積上有較大優(yōu)勢，所以設計采用空心杯電機作為微型四旋翼系統(tǒng)的動力器件。614空心杯電機+46mm正反螺旋槳 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計主控制器STM32C8T6性能： 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計主控制器STM32C8

9、T6最小系統(tǒng)： 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計姿態(tài)傳感器模塊設計采用 InvenSense 公司生產(chǎn)的整合性6軸運動處理組件；MPU-6050 整合了 3 軸角速度和 3 軸加速度傳感器， 免除了組合陀螺儀與加速計時存在的軸差問題，減少了大量的包裝空間。其具備較低功耗：陀螺儀工作電流 5mA，待機電流僅 5uA；加速計工作電流 500uA，在 10Hz 低功耗模式下僅 40uA。陀螺儀和加速計都具備 16 位 ADC 同步，接口采用可高達 400kHz 的快速模式 IIC。具備較小的 4mm*4mm 的 QFN 封裝，減少占據(jù)面積； 微型四旋翼實驗平臺的設計

10、及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計姿態(tài)傳感器模塊MPU-6050外圍電路： 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計電機驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊電路： 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計電源模塊電源模塊設計： 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計無線通信子系統(tǒng)設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計無線模塊外圍電路設計 nRF24.L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電

11、流也只有9 mA;接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式使節(jié)能設計更方便。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計USB接口電路設計USBUART轉(zhuǎn)接芯片CH340T 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計單片機外圍電路設計UARTSPI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理器STC11F02E 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計PCB設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第6章 機載控制系統(tǒng)硬件設計實物 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計四旋翼飛行器實驗平臺的軟件系統(tǒng)包括上位機

12、和下位機兩個部分。上位機是針對飛行器的需要，基于delphi開發(fā)的一個PC機桌面應用程序，可以通過串口與飛行器相連，具備傳感器校正、顯示姿態(tài)、測試電機、查看電量、設置參數(shù)等功能。下位機為飛行器主控制器STM32里的系統(tǒng)程序，主要任務有姿態(tài)解算、電機輸出控制，與上位機的通信。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計上位機界面 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計下位機程序流程圖 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計姿態(tài)控制程序設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計無線模塊驅(qū)動

13、程序設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第7章 機載控制系統(tǒng)軟件設計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制器程序設計 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究第8章 系統(tǒng)調(diào)試與飛行測試 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究總結(jié)展望 總結(jié)本設計的主要工作：（1）對四旋翼飛行器進行了資料搜索，了解國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；（2）對四槳碟形飛行器的飛行原理和動力學進行了理論分析；（3）對四旋翼飛行器的姿態(tài)檢測、姿態(tài)控制理論進行了分析研究；（4）完成了微型四旋翼飛行器實驗平臺的硬件設計和軟件設計。（5）完成對半自主飛行控制系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)與調(diào)試（6）對飛行器進行了試飛工作 雖然已經(jīng)系統(tǒng)硬件軟件均成功通過了測試，但距離實用，至少還

14、需要三個改進：一、改進控制算法，使機體更平穩(wěn)；二、增加衛(wèi)星導航定位，實現(xiàn)預定航線飛行；三、要用增穩(wěn)云臺，遙感傳感器要裝在云臺上，擴展飛行器的實用功能。 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究參考文獻1 E.Altug,J.Ostrowski, R.Mahony. Control of a quadrotor helicopter using visualfeedback C. IEEE International Conference On Robotics & Automation, May 2002, pp: 72-77.2 E.Altug, J.Ostrowski, C.Tayl

15、or. Quadrotor control using dual camera visual feedback C, IEEE International Conference on Robotics & Automation, Sept 2003, pp: 4294-4299.3 E.Altug, C.Taylor. Vision-based pose estimation and control of a model helicop-ter C. IEEE International Conference on Mechatronics, June 2004, pp: 316-32

16、1.4 J.P.How, B.Bethke, A.Frank, etal. Real-time indoor autonomous vehicle test environment J. IEEE Control Systems Magazine,2008,pp:51-64.5 G.Homann, D. Rajnarayan, S. Waslander, D. Dostal, J. Jang, C. Tomlin. The st-anford testbed of autonomous rotorcraft for multi-agent control C. Digital Avionics

17、 System Conference , Nov. 2004.6 G. Homann, H. Huang, S. Waslander, C. Tomlin. Quadrotor helicopter flight dynamics and control: theory and experiment C. AIAA Guidance, Navigation & Control Conference,Aug.2007, pp: 2007-6461. 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究參考文獻7 G. Homann, S. Waslander, C. Tomlin. Quadrotor

18、 helicopter trajectory tracking control C. AIAA Guidance, Navigation & Control Conference, Aug. 2008, pp:2008-7410.8 G. Homann, J. Jang, S. Waslander, C. Tomlin. Multi-agent Quadrotor testbed design: integral sliding mode vs. reinforcement learning C. IEEE/RSJ International Conference on Intelli

19、gent Robots and Systems , Aug. 2005,pp: 3712-3717.9 T. Hamel, R. Mahony, R. Lozano, J. Ostrowski. Dynamic modelling and conguration stabilization for an X4-flyer C. International Federation of Automatic Control Symposium, Barcelona, Spain, 2002.10 P. Castillo, A. Dzul, R. Lozano. Real-time stabiliza

20、tion and tracking of a four-rotor mini rotorcraft J. IEEE Transactions on Control Systems Technolo-gy , July 2004,vol. 12, pp: 510-516.11 D. Lara, A. Sanchez, R. Lozano, P. Castillo. Real-time embedded control system for VTOL aircrafts: application to stabilize a quad-rotor helicopter C. IEEE International Conference on Control Applications,Munich, Germany, Oct. 2006, pp:2553-2558. 微型四旋翼實驗平臺的設計及控制技術(shù)研究參考文獻12 P. Castillo, P.Albertos, P. Garcia, R. Lozano. Simple real-time attitude stabiliza-tion of a quad-rotor aircraft with bounded signals C. IEEE Conference on Decision & Control, San Dieg