四軸飛行器設計畢業(yè)設計論文

目錄TOC\o"1-3"\h\u17328第一部分設計任務與調(diào)研 第一部分設計任務與調(diào)研研究背景四軸飛行器具備VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直起降)飛行器的所有優(yōu)點，又具備無人機的造價低、可重復性強以及事故代價低等特點，具有廣闊的應用前景?？蓱糜谲娛律系牡孛鎽?zhàn)場偵察和監(jiān)視，獲取不易獲取的情報。能夠執(zhí)行禁飛區(qū)巡邏和近距離空中支持等特殊任務，可應對現(xiàn)代電子戰(zhàn)、實現(xiàn)通信中繼等現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式。在民用方面可用于災后搜救、城市交通巡邏與目標跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達空間進行安全任務檢查與搜救工作，能夠?qū)?zhí)行區(qū)域進行航拍和成圖等。因此，四軸飛行器的研究意義重大。畢業(yè)設計的主要任務本設計基于Arduino平臺的四軸飛行器，包括Arduino最小系統(tǒng)、傳感器模塊、供電模塊、電機驅(qū)動模塊、藍牙通訊模塊等部分組成。通過Arduino最小系統(tǒng)采集各傳感器模塊的數(shù)據(jù)并進行分析，將處理結果送入電機驅(qū)動模塊進行姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)四軸平穩(wěn)飛行，系統(tǒng)框圖如下：圖1系統(tǒng)框圖第二部分設計說明理論分析設計一個基于Arduino開源硬件平臺的最小系統(tǒng)板，采集傳感器的數(shù)據(jù)，傳遞給主芯片，芯片通過具體算法得出數(shù)據(jù)調(diào)整翼動部分實現(xiàn)水平。下面將分析一種常見的四軸飛行器姿態(tài)解算方法，Mahony的互補濾波法。此法簡單有效，先定義Kp，Ki，以及halfT。Kp，Ki，控制加速度計修正陀螺儀積分姿態(tài)的速度halfT，姿態(tài)解算時間的一半。此處解算姿態(tài)速度為500HZ，因此halfT為0.001#defineKp2.0f#defineKi0.002f#definehalfT0.001f初始化四元數(shù)floatq0=1,q1=0,q2=0,q3=0;定義姿態(tài)解算誤差的積分floatexInt=0,eyInt=0,ezInt=0;以下為姿態(tài)解算函數(shù)。參數(shù)gx，gy，gz分別對應三個軸的角速度，單位是弧度/秒;參數(shù)ax，ay，az分別對應三個軸的加速度原始數(shù)據(jù)由于加速度的噪聲較大，此處應采用濾波后的數(shù)據(jù)voidIMUupdate(floatgx,floatgy,floatgz,floatax,floatay,floataz){floatnorm;floatvx,vy,vz;floatex,ey,ez;將加速度的原始數(shù)據(jù)，歸一化，得到單位加速度norm=sqrt(ax*ax+ay*ay+az*az);ax=ax/norm;ay=ay/norm;az=az/norm;把四元數(shù)換算成“方向余弦矩陣”中的第三列的三個元素。根據(jù)余弦矩陣和歐拉角的定義，地理坐標系的重力向量，轉(zhuǎn)到機體坐標系，正好是這三個元素。所以這里的vx、vy、vz，其實就是當前的機體坐標參照系上，換算出來的重力單位向量。(用表示機體姿態(tài)的四元數(shù)進行換算)vx=2*(q1*q3-q0*q2);vy=2*(q0*q1+q2*q3);vz=q0*q0-q1*q1-q2*q2+q3*q3;在機體坐標參照系上，加速度計測出來的重力向量是ax、ay、az;陀螺積分后的姿態(tài)來推算出的重力向量是vx、vy、vz;它們之間的誤差向量，就是陀螺積分后的姿態(tài)和加速度計測出來的姿態(tài)之間的誤差。向量間的誤差，可以用向量積(也叫外積、叉乘)來表示，ex、ey、ez就是兩個重力向量的叉積。這個叉積向量仍舊是位于機體坐標系上的，而陀螺積分誤差也是在機體坐標系，而且叉積的大小與陀螺積分誤差成正比，正好拿來糾正陀螺。由于陀螺是對機體直接積分，所以對陀螺的糾正量會直接體現(xiàn)在對機體坐標系的糾正。ex=(ay*vz-az*vy);ey=(az*vx-ax*vz);ez=(ax*vy-ay*vx);將叉乘誤差進行積分exInt=exInt+ex*Ki;eyInt=eyInt+ey*Ki;ezInt=ezInt+ez*Ki;用叉乘誤差來做PI修正陀螺零偏，通過調(diào)節(jié)Kp，Ki兩個參數(shù)，可以控制加速度計修正陀螺儀積分姿態(tài)的速度gx=gx+Kp*ex+exInt;gy=gy+Kp*ey+eyInt;gz=gz+Kp*ez+ezInt;把指定的參數(shù)傳進這個函數(shù)，再得到相應的四元數(shù)，最后轉(zhuǎn)化成歐拉角q0=q0+(-q1*gx-q2*gy-q3*gz)*halfT;q1=q1+(q0*gx+q2*gz-q3*gy)*halfT;q2=q2+(q0*gy-q1*gz+q3*gx)*halfT;q3=q3+(q0*gz+q1*gy-q2*gx)*halfT;四元數(shù)單位化norm=sqrt(q0*q0+q1*q1+q2*q2+q3*q3);q0=q0/norm;q1=q1/norm;q2=q2/norm;q3=q3/norm;}姿態(tài)解算后，就得到了表示姿態(tài)的四元數(shù)。但四元數(shù)不夠直觀，一般將其轉(zhuǎn)化為歐拉角。轉(zhuǎn)化時根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的次序不同，公式也不同。讀完程序，深刻的意識到了理論基礎的重要性。Mahony的互補濾波函數(shù)，確實很巧妙，利用叉乘誤差來修正四軸的姿態(tài)，姿態(tài)解算速度越快，則解算的精度越高。具體電路原理圖如下：圖2系統(tǒng)原理圖設計方案微控制器的選擇方案一采用89C51控制。此方案的優(yōu)點是成本低，運用廣泛，容易上手。但該單片機能夠?qū)嵱玫钠瑑?nèi)外資源有限，定時計數(shù)器少，無A/D轉(zhuǎn)換，能用的I/O口比較少，頻率低、處理速度慢、功能單一，難以滿足設計要求。方案二采用ATMEGA328P-MU微控制芯片。ATMEGA328P-MU，高性能、低功耗AVR8位微控制器，先進的RISC體系結構，高耐力非易失性內(nèi)存段，微控制器的特殊功能，上電復位和可編程布朗出檢測，內(nèi)部校準的振蕩器，外部和內(nèi)部中斷源，六個睡眠模式：空閑，ADC降噪、電源保存、關閉、待機狀態(tài)，和待機擴展，支持兩路串口、IIC、SPI通訊。方案三采用MSP430單片機。該單片機一種16位超低MSP430單片機，它的功耗小、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器，該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。結合本次設計，最終選擇方案二，具體方案如下所示：從系統(tǒng)穩(wěn)定性、適用性考慮采用ATMEAL公司的ATMEGA328P-MU作為智能家居控制系統(tǒng)的主控制器，輸入輸出的信號由它來處理。它擁有32KB的閃存容量、1KB的EEPROM、20MHz的時鐘頻率、自帶IIC，SPI,USART通訊。是一款高性能、低功耗的AVR8位微控制器，先進的RISC體系結構，上電復位和可編程布朗出檢測，內(nèi)部校準的振蕩器，外部和內(nèi)部中斷源，六個睡眠模式：空閑、ADC降噪、電源保存、關閉、待機狀態(tài)、和待機擴展，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入。（1）14路數(shù)字輸入輸出口：工作電壓為5V，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。每一路配置了20-50K歐姆內(nèi)部上拉電阻（默認不連接)。除此之外，有些引腳有特定的功能。（2）串口信號RX（0號）、TX（1號）：提供TTL電壓水平的串口接收信號。（3）外部中斷（2號和3號）：觸發(fā)中斷引腳，可設成上升沿、下降沿或同時觸發(fā)。（4）脈沖寬度調(diào)制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM輸出。（5）SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。（6）6路模擬輸入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即輸入有1024個不同值），默認輸入信號范圍為0到5V。TWI接口（SDAA4和SCLA5）：支持通信接口（兼容I2C總線），最小系統(tǒng)原理圖如下圖3所示：圖3最小系統(tǒng)圖無線模塊的選擇方案一：ZigBee是一種基于標準的遠程監(jiān)控、控制和傳感器網(wǎng)絡應用技術。為滿足人們對支持低數(shù)據(jù)速率、低功耗、安全性和可靠性，而且經(jīng)濟高效的標準型無線網(wǎng)絡解決方案的需求，ZigBee標準應運而生。核心市場是消費類電子產(chǎn)品、能源管理和效率、醫(yī)療保健、家庭自動化、電信服務、樓宇自動化以及工業(yè)自動化。方案二：GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。方案三：HM11是一款新型單片藍牙模塊器件，超低待機功耗400uA~800uA，超遠連接距離100英尺/60米，超快反應速度0.4秒，安卓、蘋果、PC全通用.，收發(fā)無字節(jié)限制，最高可達6KBytes/秒，不需要做MFI，Android4.3完美支持.使節(jié)能設計更方便。結合本次設計，最終選擇方案三，具體方案如下所示：HM11是一款新型單片藍牙模塊器件，超低待機功耗400uA~800uA，超遠連接距離100英尺/60米，超快反應速度0.4秒，安卓、蘋果、PC全通用.，收發(fā)無字節(jié)限制，最高可達6KBytes/秒，不需要做MFI，Android4.3完美支持，適用于所選手機App。原理圖如下圖4所示：圖4藍牙模塊其他模塊圖片圖5翼動部分驅(qū)動電路圖6轉(zhuǎn)3.3V模塊圖7轉(zhuǎn)5V模塊第三部分設計成果圖8程序調(diào)試校準圖9PCB正面 圖10PCB反面圖11樣板PCB 圖12成品圖13部分程序第四部分結束語在學校、院系領導的安排下我們進行了為期近一個月的畢業(yè)設計，這也是我們大學生涯里的最后一次設計，看這一個月來所做的緊張而有序的設計工作禁不住生出很多感想也就有一種總結的沖動。首先來說，這次設計是我學了三年全部課程之后的又一次重要檢驗，它考驗了我是否真的牢固掌握了全部所學的專業(yè)知識，以及運用知識的能力并且是否具有廣泛的視角來看待電子方面的問題。就我而論，通過本次畢業(yè)設計，我深深感覺到基礎知識的不健全和不牢固，因此尚不能很靈活的解決所遇到的全部問題，從中表現(xiàn)出了這樣或那樣的不足和漏洞，說明了基本功的不扎實，所幸我得到了老師和同學們的熱情幫助，使這些問題得到了解決。這將對我以后的工作和學習有極大的幫助，更全面鍛煉了我駕御知識的能力。使我對這三年來所學的理論知識進行了系統(tǒng)化、條理化、全面化的回顧和復習，讓我懂得了如何運用自己所學的知識，同時又學到了獵取其他知識的方法，這些都將作為課本知識的有益補充，為我們以后所要從事的工作打下堅實的基礎。最后，這次設計使我得到一次大規(guī)模檢索相關資料的機會，提高了運用網(wǎng)絡和專業(yè)計算機軟件輔助設計的能力。 第五部分致謝本畢業(yè)設計方案是在我的指導老師的親切關懷和悉心指導下完成的。從畢業(yè)設計方案選題、系統(tǒng)方案設計、流程分析、畢業(yè)設計成果報告書撰寫，無不凝聚著兩位指導老師的汗水與心血！大學學習的幾年里，兩位導師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、忘我工作的敬業(yè)精神及正直誠懇的為人，深深地感染和激勵著我，使我受益終身。謹向兩位導師致以最誠摯的謝意和崇高的敬意！真誠祝愿兩位導師及其家人身體健康、合家幸福！在此，還要感謝老師給本畢業(yè)設計方案提出的幫助和建議。在畢業(yè)設計方案和成果說明書撰寫的過程中，還得到了電子班的同學無私的幫助，和他們在一起學習的日子使我感到溫暖，真誠感謝他們的幫助與建議。同時感謝在畢業(yè)設計方案中所有被引用文章的作者們。最后，感謝我的父母在我求學路上無悔的支持和不懈的關懷，在我成長的道路上，你們付出了太多太多，沒有你們我不可能完成大學的學習！您們辛苦了！特別感謝通過這幾年的研究生學習生活，讓我受益匪淺。感謝學校給了我一個良好的學習平臺，同時感謝幫助和關心過我的每一個人。在今后的日子里，我會更加努力的工作與學習，回報幫助和關心過我的每一個人。第六部分參考文獻【1】Arduino