新型四旋翼飛行器設(shè)計與制作

1、新型四旋翼飛行器設(shè)計與制作【摘 要】本文針對四旋翼飛行器具有非線性、強耦合性、多輸入的欠驅(qū)動系統(tǒng)的特點，通過動力性力學(xué)模型的建立，提出PSO和遺傳算法，優(yōu)化PID控制參數(shù)，經(jīng)過硬件電路和軟件的設(shè)計，研制出既能準確控制飛行器姿態(tài)，又具有較強抗干擾和環(huán)境自適應(yīng)才能的控制器，飛行試驗結(jié)果說明，通過遺傳算法優(yōu)化在實際飛行中到達了很好的效果。【關(guān)鍵詞】硬件設(shè)計;PID控制;軟件設(shè)計0 引言四旋翼飛行器可以自由懸停和垂直起降，構(gòu)造簡單，易于控制，這些優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在民用，醫(yī)療，軍事等領(lǐng)域都有著無限的潛力1。然而，作為一個MIMO非線性系統(tǒng)，四旋翼飛行器輸入變量與輸出變量之間的耦合作用、時

2、變非線性的動力學(xué)特征、系統(tǒng)本身的不確定性及外部的干擾等的引入，使得系統(tǒng)的控制問題變得非常復(fù)雜。如何可以設(shè)計出有足夠的飛行動力并且具有良好穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)，是四旋翼飛行器如今面臨的主要問題，這也使得強大而又易于控制的發(fā)動機和控制飛行器協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)成為四旋翼飛行器設(shè)計的關(guān)鍵。1 詳細設(shè)計內(nèi)容2結(jié)合四旋翼飛行器的硬件構(gòu)造，進展軟件編程部分的工作。按照四旋翼飛行器的飛行原理和控制特性進展系統(tǒng)飛行控制主程序以及各模塊軟件編程。3對四旋翼飛行器系統(tǒng)的控制方法進展研究，根據(jù)飛行原理進展動力學(xué)建模，并完成系統(tǒng)控制器的設(shè)計。4系統(tǒng)調(diào)試和實驗結(jié)果分析。首先對系統(tǒng)的各個模塊進展相關(guān)調(diào)試和檢測，然后組裝模型，進

3、展四旋翼飛行器實物系統(tǒng)的飛行實驗，驗證理論設(shè)計方案的合理性。2 硬件設(shè)計整個系統(tǒng)硬件部分根據(jù)模塊化思想進展設(shè)計，構(gòu)造框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)造框圖從上圖可以看出整個系統(tǒng)主要包含的模塊有遙控器信號捕捉模塊、IMU姿態(tài)測量模塊、PID控制器模塊3、PWM輸出模塊、IIC模塊和USART無線串口模塊。3 軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench IDE for ARM4，這個環(huán)境具有高度優(yōu)化的 IAR AVR C/C+編譯器;一個強大的編輯器;一個工程管理器;一個具有世界先進程度的高級語言調(diào)試器。使用戶在開發(fā)新的工程時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進展。一般基于AR

4、M開發(fā)系統(tǒng)用的開發(fā)環(huán)境有兩個，一個就是IAR，另外一個是MDK，明顯后者在編譯的時候速度很慢，而且調(diào)試環(huán)境前者比后者簡單且容易直觀，所以選擇前者作為開發(fā)環(huán)境。圖2是整個系統(tǒng)的軟件流程。圖2 飛控系統(tǒng)整體軟件流程圖圖3 飛行測試表1 飛行測試數(shù)據(jù)4 結(jié)論本文對實驗室四旋翼飛行器進展建模，通過改進后的遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)，仿真實驗證明到達穩(wěn)定狀態(tài)快，精度高的特點，相比同類文獻有非常明顯的優(yōu)勢，通過查閱其它文獻，一般到達穩(wěn)定時間在1S多，而本算法優(yōu)化的PID參數(shù)，到達穩(wěn)定時間在0.1S左右，進步了10倍。為了驗證仿真的效果，實驗室飛行器通過屢次試飛，測試數(shù)據(jù)說明，具有較好的魯棒性和良好的控制效果。

5、證明了本文基于遺傳算法的PID參數(shù)的優(yōu)化是有效的?！緟⒖嘉墨I】3劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2021.4Abhijzt Das，Kamesh Subbarao，F(xiàn)rank Lewis.Dynamic inversion of quadrotor with zero-dynamics stabilizationC/IEEE Multi-conference on Systems and Control.2021：1100-1191.5BOUABDALLAH S，SIEGWRT R.Design and control of quadrotors with applicat