《四旋翼飛行器開題報(bào)告》

1、LuoyangInstituteofScien-ceandTechnolo-gy電子工程設(shè)計(jì)開題報(bào)告（2）小組成員姓名及學(xué)號(hào)：張里B金浩瀚B13040717謝敏波B13040834學(xué)院：電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目:四旋翼飛行器指導(dǎo)老師：2015年11月一、課題提出的背景1.四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降的多旋翼飛行器,它非常適合近地偵察、監(jiān)視、航拍、農(nóng)業(yè)播撒任務(wù)。國(guó)外某些科技公司，如亞馬遜，正在開發(fā)研究利用多旋翼飛行器進(jìn)行快遞投送等自動(dòng)化的物流業(yè)務(wù)，可見其具有廣泛的軍事和民事應(yīng)用前景。但是四旋翼飛行器控制難度較大,難點(diǎn)在于飛行器具有欠驅(qū)動(dòng)、多變量、非線性等比較復(fù)雜的特性。因此四旋

2、翼飛行器的建模與控制也成了控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。四旋翼飛行器有各種的運(yùn)行狀態(tài),比如:爬升、下降、懸停、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)等。本文采用牛頓-歐拉模型來描述四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。本文限于作者能力未對(duì)四旋翼飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性做詳盡的分析和研究,而是一定程度上簡(jiǎn)化了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，在一定姿態(tài)角度內(nèi)近似將其看作線性系統(tǒng)，以方便使用PID控制算法對(duì)飛行器在空中的三個(gè)歐拉角進(jìn)行控制。2.本文提出了四旋翼飛行器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用STM32開發(fā)板作為主控芯片，對(duì)MPU-6050芯片采集到的三軸角度和三軸角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算

3、法處理，通過輸出相應(yīng)的PWM占空比對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制飛行器不同的飛行姿態(tài)。同時(shí)利用超聲波傳感器來實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器與地面的距離，并不斷地進(jìn)行調(diào)整以此保證飛行器能達(dá)到所需的要求。二、課題研究的內(nèi)容及目標(biāo)2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)及面向?qū)ο?.2設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)主要由控制模塊、高度測(cè)量模塊、電機(jī)調(diào)速模塊、角速度和角加速度模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。2.3控制系統(tǒng)的選擇STM32開發(fā)板作為主控模塊來控制飛行器的飛行姿態(tài)與方向。2.4飛行姿態(tài)控制的論證與選擇方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)將從MPU-6050中讀取出來的飛行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法運(yùn)算，得到當(dāng)前的飛行器歐拉角，單片機(jī)得到這個(gè)歐拉角后根據(jù)歐拉角的角度及

4、方向輸出相應(yīng)的指令給電調(diào)，從而達(dá)到控制飛行器平穩(wěn)飛行的目的方案三: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?；谏鲜隼碚摲治觯x擇方案三。2.5電機(jī)的選擇方案一：采用有刷電機(jī)。有刷電機(jī)采用機(jī)械轉(zhuǎn)向，壽命短，噪聲大，產(chǎn)生電火花，效率低。它長(zhǎng)期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞，同時(shí)磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機(jī)噪聲進(jìn)一步增大。有刷電機(jī)連續(xù)使用一定時(shí)間就需更換電機(jī)內(nèi)碳刷。方案二：采用無刷電機(jī)。無刷電機(jī)以電子轉(zhuǎn)向取代機(jī)械轉(zhuǎn)向。無機(jī)械摩擦，無摩擦，無電火花，免維護(hù)且能做到更加

5、密封等特點(diǎn)所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機(jī)?？紤]到各方面，我們采用無刷電機(jī)，選用新西達(dá)A2212無刷電機(jī)。2.6高度測(cè)量模塊的論證與選擇方案一：采用bmp085氣壓傳感器測(cè)量大氣壓并轉(zhuǎn)換為海拔高度，把當(dāng)前的海拔測(cè)量值減去起飛時(shí)的海拔值即得飛機(jī)的離地高度。但芯片價(jià)格較貴，誤差較大，而且以前也沒用過這個(gè)芯片。方案二：采用HC-SR04超聲波傳感器測(cè)量飛行器當(dāng)前的飛行高度?？紤]到對(duì)元件的熟悉程度、元件的價(jià)格和程序的編寫，選擇方案二。2.7電機(jī)調(diào)速模塊的選擇由于本四旋翼飛行器選用的是無刷直流電機(jī)，所以電調(diào)只能選用無刷電機(jī)的電調(diào)，自己做電調(diào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，而且可能不穩(wěn)定，所以直接用的是成品電調(diào)，我們選用與新西達(dá)A

6、2212電機(jī)配套的電調(diào)。28角速度與加速度測(cè)量模塊選擇方案一：選用MMA7361角度傳感器測(cè)量飛行器的的與地面的角度，返回信號(hào)給單片機(jī)處理，從而保持飛行器的平衡。方案二：用MPU-6050芯片采集飛行器的飛行數(shù)據(jù)，過采用MPU-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器，功能MPU-6000（6050）整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理（DMP:DigitalMotionProcessor）硬件加速引擎，由主要串口端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，可處理運(yùn)動(dòng)

7、感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù),降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。綜上，選擇方案二。三設(shè)計(jì)與論證3.1控制方法設(shè)計(jì)3.1.1降落及飛行軌跡控制3.1.2飛行高度控制飛行高度的采集采用超聲波模塊來實(shí)現(xiàn)，通過超聲波發(fā)出時(shí)開始計(jì)時(shí)，收到返回信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，單片機(jī)利用聲音在空氣中的傳播速度與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系來計(jì)算出飛行器距離地面的時(shí)間，從而控制飛行器的飛行高度達(dá)到我們所需的高度。3.1.3飛行姿態(tài)控制通過MPU6050模塊來測(cè)量當(dāng)前飛行器的三軸角度和三軸角速度（只需要用到角度和角速度），利用從MPU6050中讀取出數(shù)據(jù)，解

8、讀飛行器的飛行姿態(tài)，并經(jīng)過PID算法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的信號(hào)傳給電調(diào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制飛行器的飛行姿態(tài)的目的。程序流程圖如圖三。3.2參數(shù)計(jì)算四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計(jì)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f兀=u4(sin0cos©cos9+sin0sin9)/mIIy=u4(sin0cos0sin9-sin0cos9)/mIz=(u4cos0sin9-mg)/m式1-1I0=u1l/IXII0=u2l/IYI9=u3/IzI式中xxyzT為運(yùn)動(dòng)加速度，m為飛行器質(zhì)量，9,0,

9、0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，IY，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。2.2PID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-3-控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖B-1所示。飛給xyz位置控制姿態(tài)行電機(jī)控制定控制器使用經(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

10、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?？刂苹芈钒藊,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(x=k(x-xd)+k.f.(x-xd+kd(x-xd)式1-2Ipi(y-yd)dt+kd(y-yd)yd'y=kp(yyd+kii(z-Zd)dt+kd(z-Zd)I-zd)+kiIx=k(z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。r/l式1-3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。(9-9)+kj(9-9)dt+k(9-9)p9di9dd9dI<0=kp0I(0-0d)+ki0(0-0d)dt+kd0(0-0d)式1-4(f-f)+k(f-f)dt+k(f-f)dJdifd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3.2。本系統(tǒng)最主要的參數(shù)計(jì)算是對(duì)MPU-6050等傳感器采集的原始飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)從MPU-6050芯片獲取的數(shù)據(jù)是飛行器的三軸角速

12、度和三軸角加速度，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID算法處理可以得到飛行器當(dāng)前的飛行姿態(tài)PID是比例，積分，微分的縮寫。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。我們通過測(cè)試分別對(duì)X軸，Y軸，Z軸調(diào)整Kp,Ki

13、,Kd的值。先調(diào)節(jié)Kp的值，再調(diào)節(jié)Kd的值，最后再調(diào)整Ki的值，以此來保證飛行器的姿態(tài)，達(dá)到所需的要求。四.理論分析與計(jì)算4.1.Pid控制算法分析由于四旋翼飛行器由四路電機(jī)帶動(dòng)兩對(duì)反向螺旋槳來產(chǎn)生推力，所以如何保證電機(jī)在平穩(wěn)懸浮或上升狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速的一致性及不同動(dòng)作時(shí)各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的比例關(guān)系是飛行器按照期望姿態(tài)飛行的關(guān)鍵。所以這里我們采用到pid控制理論把飛機(jī)的當(dāng)前姿態(tài)調(diào)整到期望姿態(tài)。Pid控制是通過姿態(tài)采集模塊發(fā)送回來的數(shù)據(jù)與期望姿態(tài)進(jìn)行比對(duì)，如果存在誤差，就對(duì)誤差進(jìn)行比例、積分、微分的調(diào)整，再將調(diào)整后的值加到當(dāng)前電機(jī)上，從而達(dá)到調(diào)整的目的。比例調(diào)節(jié)的反應(yīng)速度較快，而且調(diào)節(jié)作用明顯，飛機(jī)出現(xiàn)俯仰

14、和翻滾時(shí)能快速調(diào)節(jié)回來，但是穩(wěn)定性較差，往往會(huì)調(diào)節(jié)過火；積分調(diào)節(jié)可以消除長(zhǎng)期誤差，排除外界因素的干擾，但是同樣會(huì)降低系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，使飛機(jī)發(fā)生震蕩；微分調(diào)節(jié)可以預(yù)測(cè)被控設(shè)備的將來狀態(tài)，及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整，而且對(duì)比例調(diào)節(jié)有抑制作用，加強(qiáng)單比例調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，排除調(diào)節(jié)過度的問題。所以通過pid控制可以完全考慮到整個(gè)系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在、將來，以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。0°90°-904.2飛行姿態(tài)控制單元飛行器模擬圖如下圖，姿態(tài)控制是通過MPU6050傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)它采集回來的角度以及角速度等，采用十字型連接，這樣的話能明確分離俯仰姿態(tài)和翻滾姿態(tài)，進(jìn)行分別控制。這時(shí)如果飛機(jī)狀態(tài)不平

15、衡，那么哪邊高就減小哪邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的一邊則加大電機(jī)的轉(zhuǎn)速左右F面還有對(duì)電機(jī)，電池和漿的各種搭配:電池:什么叫1S電池，2S電池，3S電池？1S：鋰電1塊3.7V充滿是4.2V2S：就是2塊鋰電串聯(lián)7.4V3S：就是3塊鋰電串聯(lián)11.1VS是代表串連，P是代表并。3S就是代表3節(jié)電池串連，3P就代表3節(jié)電池并連。電池的放電能力，最大持續(xù)電流是：容量X放電C數(shù)例如:1500MA,10C,則最大的持續(xù)電流就是=1.5X10=15安如果該電池長(zhǎng)時(shí)間超過15安或以上電流工作，那么電池的壽命會(huì)變短、還有電池的充滿電壓?jiǎn)纹?.15-4.20合適，用后的最低電壓為單片3.7以上（切記不要過放），長(zhǎng)期不用

16、的保存電壓最好為3.9。電機(jī)：電機(jī)KV值：電機(jī)的轉(zhuǎn)速（空載）=KV值X電壓；例如KV1000的電機(jī)在10V電壓下它的轉(zhuǎn)速（空載）就是10000轉(zhuǎn)份鐘。電機(jī)的KV值越高，提供出來的扭力就越小。所以，KV值的大小就與漿有著密切的關(guān)系，以下就這點(diǎn)提供一下配漿經(jīng)驗(yàn)：漿：1060漿，10代表長(zhǎng)的直徑是10寸，60表示漿角（螺距）.前兩位數(shù)表示直徑，后兩位表示螺距。搭配：一般電機(jī)與漿是這樣配的：3S電池下；KV900-1000的電機(jī)配1060或1047漿，9寸漿也可KV1200-1400配9050（9寸漿）至8*6漿KV1600-1800左右的7寸至6寸漿KV2200-2800左右的5寸漿KV3000-3

17、500左右的4530漿2S電池下；KV1300-1500左右用9050漿KV1800左右用7060漿KV2500-3000左右用5X3漿KV3200-4000左右用4530漿漿的大小與電流關(guān)系：因?yàn)闈{相對(duì)越大在產(chǎn)生推力的效率就越高例如：同用3S電池，電流同樣是10安（假設(shè)）用KV1000配1060漿與KV3000配4530漿它們分別產(chǎn)生的推力前者是后者的兩倍。機(jī)型與電機(jī)、漿的關(guān)系：一般來說：漿越大對(duì)飛機(jī)所產(chǎn)生的反扭力越大，所以漿的大小與機(jī)的翼展大小有著一定關(guān)系，但漿與電機(jī)也有著上面所講的關(guān)系。例如用1060漿，機(jī)的翼展就得要在80CM以上為合適，不然的話機(jī)就容易造成反扭；又如用8*6的漿翼展就得在60以上。再比如：用4530漿做翼展1米以上機(jī)行否？是可以，但飛機(jī)飛起來會(huì)很耗電，因?yàn)橐碚勾箫w行的阻力大，而4530漿產(chǎn)生的推力相對(duì)情況下小（上面漿的大小與電流關(guān)系有講到）。五電路與程序設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)組成本四