全國電子設(shè)計大賽省一獲獎?wù)撐?四旋翼

學(xué)校統(tǒng)一編號:HLJ-B-學(xué)校名稱：理工大學(xué)隊長：學(xué)生：指導(dǎo)教師：時間：四旋翼自主飛行器摘要四旋翼的構(gòu)造是一種比擬簡單和直觀化的穩(wěn)定控制性飛行器。通過調(diào)節(jié)4個電機轉(zhuǎn)速改變旋翼轉(zhuǎn)速，改變升力的變化調(diào)整飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器的動力來源是無刷直流電機，因此針對該類無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)對飛行器的性能起著決定性的作用。四旋翼的動力來源為無刷直流電機，采用單邊pwm的控制方式實現(xiàn)電機的調(diào)速，采用三段式啟動方式實現(xiàn)電機的軟啟動。用超聲波傳感器測距是四旋翼飛行器定高，采用ov7620攝像頭循跡使飛行器從A區(qū)到B區(qū)。通過對四旋翼工作模式與控制參數(shù)的研究，得到相應(yīng)的控制算法，然后編程實現(xiàn)，模擬相應(yīng)的飛行姿態(tài)，實驗結(jié)果表示四旋翼實現(xiàn)自主飛行、自主懸?？刂?。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；無刷直流電機；PWMabstractThestructureofthefourrotorisarelativelysimpleandintuitivestabilitycontrollingaircraft.Byadjustingthefourmotorspeedchangetherotorspeed,thechangeofliftchangeaircraftattitudeandposition.Fourrotoraircraftpowersourceisbrushlessdcmotor,soforthisclassofbrushlessdcmotorspeedcontrolsystemplaysadecisiveroleontheperformanceoftheaircraft.Fourrotorpowersourceforthebrushlessdcmotor,motorspeedcontrolisrealizedbyusingunilateralPWMcontrolmode,thethree-stepstartupmodewasadoptedtorealizemotorsoftstart.Fourrotoraircraftwithultrasonicsensorrangeissethigh,useov7620cameratrackingmakeaircraftfromareaAtoareaB.Throughthestudyoffourrotorworkingmodeandthecontrolparameters,getthecorrespondingcontrolalgorithm,andthensimulatetheflightattitude,programmingtheresultssaidfourrotortorealizeautonomousflight,hoveringcontrolindependently.Keywords:fourrotoraircraft;Brushlessdcmotor;PWM目錄TOC\o"1-4"\h\z\u四旋翼自主飛行器1摘要1一、設(shè)計任務(wù)21.1任務(wù)21.2.1根本要求21.2.2發(fā)揮局部2二、方案論證21、控制器模塊方案2三、理論分析與計算21、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)21.1陀螺儀和加速度傳感器21.2控制系統(tǒng)21.3超聲波傳感器21.4攝像頭ov762022、軟件系統(tǒng)設(shè)計22、1PWM脈沖寬度調(diào)制22、2數(shù)學(xué)PID控制算法2四、測試結(jié)果與誤差分析21、飛行測試22、無刷電機測試2五、結(jié)論、心得體會2參考文獻(xiàn)2附錄：2附錄1：元器件明細(xì)表2附錄2：儀器設(shè)備清單2附錄3：程序清單2一、設(shè)計任務(wù)1.1任務(wù)四旋翼自主飛行器〔下簡稱飛行器〕擺放在圖1所示的A區(qū)，一鍵式啟動飛行器起飛；飛向B區(qū)，在B區(qū)降落并停機；飛行時間不大于45s。飛行器擺放在B區(qū)，一鍵式啟動飛行器起飛；飛向A區(qū)，在A區(qū)降落并停機；飛行時間不大于45s。飛行區(qū)域俯視圖和立體圖分別如圖1和圖2所示。圖1-1飛行器俯視圖圖1-2飛行區(qū)立體圖1.2設(shè)計相關(guān)要求1.2.1根本要求〔1〕四旋翼自主飛行器〔下簡稱飛行器〕擺放在圖1所示的A區(qū)，一鍵式啟動飛行器起飛；飛向B區(qū)，在B區(qū)降落并停機；飛行時間不大于45s。〔2〕飛行器擺放在B區(qū)，一鍵式啟動飛行器起飛；飛向A區(qū)，在A區(qū)降落并停機；飛行時間不大于45s。1.2.2發(fā)揮局部〔1〕飛行器擺放在A區(qū)，飛行器下面擺放一薄鐵片，一鍵式啟動，飛行器拾取薄鐵片并起飛?！?〕飛行器攜帶薄鐵片從示高線上方飛向B區(qū)，并在空中將薄鐵片投放到B區(qū)；飛行器從示高線上方返回A區(qū)，在A區(qū)降落并停機?！?〕以上往返飛行時間不大于30s?！?〕其他。二、方案論證1、控制器模塊方案方案一：采用通俗的51單片機，運用比擬廣泛，有良好的知識作為根底，上手很快。但是本系統(tǒng)的程序量較大，需要的I\O口資源較多，需要輸出四路PWM波控制電調(diào)轉(zhuǎn)動，51單片機難以勝任。方案二：系統(tǒng)采用瑞薩公司所生產(chǎn)的R5F100LEA單片機為主控制芯片，單片機算數(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于功耗低，體積小、技術(shù)成熟和本錢低等優(yōu)點，使其運用靈活方便。三、理論分析與計算四旋翼微型飛行平臺呈十字形穿插，由4個獨立電機驅(qū)動螺旋槳組成，如圖1所示。當(dāng)飛行器工作時，平臺中心對角的螺旋槳〔如1與3〕轉(zhuǎn)向一樣，相鄰的螺旋槳〔如1與2〕轉(zhuǎn)向相反。同時增加減小4個螺旋槳的速度，飛行器就垂直上下運動；相反的改變中心對角的螺旋槳的速度，可以產(chǎn)生滾動、俯仰等運動。圖1四旋翼飛行器構(gòu)造示意圖1、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)四軸飛行器的機械構(gòu)造需保證均勻性、對稱性和穩(wěn)定性。均勻性要求材料的質(zhì)地要均勻，對稱性要保證機械架構(gòu)三維生的對稱性，穩(wěn)定性要求機械器件連接結(jié)實并且在起飛和著陸時機架有抗擊能力。機身支架的材料使用硬質(zhì)塑料，身機為mm方形框架，旋翼直徑10mm，厚度1.5mm。其硬件組成如圖1所示,主要包括角速率陀螺、加速度計、超聲波傳感器、微處理器、舵機控制接口、有效任務(wù)載荷接口以及電源等。圖2為飛行控制系統(tǒng)硬件框圖。圖2飛行控制系統(tǒng)硬件框圖1.1陀螺儀和加速度傳感器陀螺儀主要用于飛行器保持平衡。陀螺儀的測量物理量是偏轉(zhuǎn)、傾斜時的轉(zhuǎn)動角速度。陀螺儀實際上等效于三個角度傳感器，部通過MEMS工藝做出了一個參考坐標(biāo)系，當(dāng)芯片的坐標(biāo)相對參考坐標(biāo)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，芯片會讀出這個差異。因此，測量*YZ軸線的傾角變得可以實現(xiàn)。利用陀螺效應(yīng)，感知你陀螺儀中陀螺的相對方向，經(jīng)過單片機處理與初始狀態(tài)比擬感知陀螺的方向。這就讓他可以對飛機等的運動方向進(jìn)展感知，如有偏航可以立刻對制動系統(tǒng)發(fā)出指令進(jìn)展修正。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備，很多情況下都是和陀螺儀搭配用的。加速力也就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力。加速度計由檢測質(zhì)量〔也稱敏感質(zhì)量〕、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。當(dāng)儀表殼體沿輸入軸作加速運動時，檢測質(zhì)量因慣性而繞輸出軸轉(zhuǎn)動，傳感元件將這一轉(zhuǎn)角變換為電信號，經(jīng)放大后饋送到力矩器構(gòu)成閉環(huán)。力矩器產(chǎn)生的反響力矩與檢測質(zhì)量所受到的慣性力矩相平衡。輸送到力矩器中的電信號〔電流的大小或單位時間脈沖數(shù)〕就被用來度量加速度的大小和方向。加速度傳感器測量運載體線加速度的儀表，在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計是重要的動態(tài)特性校正元件。圖4為加速度計示意圖。圖3角速度變化與陀螺輸出的關(guān)系圖4加速度計示意圖1.2控制系統(tǒng)四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個局部，飛行控制系統(tǒng)與無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)通過IMU慣性測量單元〔由陀螺傳感器與加速度傳感器組成〕檢測飛行姿態(tài)。4個無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通過I2C總線與飛行控制器通信，通過改變4個無刷直流電機的轉(zhuǎn)速來改變飛行姿態(tài)，系統(tǒng)采用12V電池供電。飛行器控制器要能夠通過采集處理微型MEMS慣性器件和三維地磁傳感器數(shù)據(jù)．計算飛行器的姿態(tài)角和航向角，并根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，結(jié)合相應(yīng)的控制律給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?，控制飛行器的執(zhí)行機構(gòu)，改變飛行器的姿態(tài)和位置等[1]。飛行控制器的主要功能如下：1)提供多個通信信道，使飛行器與陀螺儀、磁航向計、高度計、導(dǎo)航系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)通信；2)提供足夠的存儲空間，以滿足復(fù)雜控制軟件的實現(xiàn)；3)檢測飛行器的狀態(tài)量，包括高度、速度、航向、姿態(tài)等；4)通過RS232串行接口與地面測控系統(tǒng)通訊，一方面獲取地面的控制信號．另一方面將飛行器的狀態(tài)信息回傳給地面；5)飛行器能工作在手動／自主的切換模式。1.3超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。假設(shè)對發(fā)送傳感器諧振頻率為40KHz的壓電瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+〞極，另一面為“-〞極的40KHz正弦電壓。圖5為超聲波傳感器的電路圖。需要用超聲波傳感器來測距定高選擇的工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ，根本類型為別離式反射型，通過標(biāo)準(zhǔn)的總線輸出高度信號。圖5超聲波傳感器電路圖1.4攝像頭ov7620OV7620是OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS彩色圖像傳感器,其部集成了感光單元和A/D轉(zhuǎn)換器件,并且提供了提供8/16位CCIR601、CCIR656等格式視頻數(shù)字信號接口。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式;最高像素為664492,幀速率為30f/s;數(shù)據(jù)格式包括YUV、YCrCb、RGB3種,OV7620置可編程功能存放器并且設(shè)置有上電模式和SCCB編程模式。OV7620的數(shù)字圖像輸出接口為YcrCb16位/8位可選模式和RGB16位/8位可選模式兩種組態(tài)[2]。YCrCb即YUV,主要用于優(yōu)化彩色視頻信號的傳輸。與RGB視頻信號傳輸相比,它最大的優(yōu)點在于只需占用極少的頻寬。其中/Y0表示明亮度,也就是灰階值;而/U0和/V0表示的則是色度,作用是描述影像色彩及飽和度,用于指定像素的顏色。采用YUV色彩空間的優(yōu)點是它的亮度信號Y和色度信號U、V是別離的。如果只有Y信號分量而沒有U、V分量,則這樣表示的圖像就是黑白灰度圖像。視覺導(dǎo)航應(yīng)用中,圖像只有路面和引導(dǎo)線兩種顏色,因此只需對灰度信號進(jìn)展處理就可識別出路徑實現(xiàn)導(dǎo)航。因此在本文中主要討論在320240分辨率下處理8位Y信號分量,實現(xiàn)導(dǎo)航的方法。OV7620要實現(xiàn)輸出一幀完整的圖像,除了8位Y信號分量外還有4個同步信號配合實現(xiàn)視頻幀的輸出,他們分別是垂直同步信號VSYNC、奇數(shù)場同步信號FOOD、水平同步信號HSYNC和像素同步信號PCLK。采用連續(xù)掃描方式時只需要VSYNC和HSYNC、PCLK三個信號,其邏輯關(guān)系如圖6所示.圖6OV7620數(shù)據(jù)輸出時序2、軟件系統(tǒng)設(shè)計2、1PWM脈沖寬度調(diào)制四旋翼飛行器在起飛、降落時，存在加速和減速。控制時需要調(diào)節(jié)PWM信號占空比。飛行時如果加速度太大會因短時間沖量過大對機身造成傷害，這就需要勻變速緩沖，使飛行器能較為平穩(wěn)的加速或減速。主程序流程圖如7所示。圖7軟件流程2、2數(shù)學(xué)PID控制算法本系統(tǒng)使用的數(shù)字PID控制算法，具有較強的靈活性?？梢愿鶕?jù)經(jīng)歷和試驗在線調(diào)節(jié)參數(shù)。P是比例環(huán)節(jié)，I是積分環(huán)節(jié)，D是微分環(huán)節(jié)。為控制處理器是采樣控制，只能根據(jù)采樣時刻偏差值計算控制量進(jìn)展離散式控制形式。在離散化PID過程中令T為采樣周期，k為采樣序號，連續(xù)時間t用離散時間表示，用求和形式代替連續(xù)時間積分形式，用增量形式代替連續(xù)時間微分形式。(1)(2)(3)將〔3〕代入模擬PID的計算表達(dá)式(4)其中Kp為比例系數(shù)，T1為積分常數(shù)，TD為微分常數(shù)?？傻玫诫x散PID表達(dá)式(5)式〔5〕中，定義積分系數(shù),微分系數(shù)。在電動電機控制系統(tǒng)中，一般采用增量式PID算法，根據(jù)推理原理可得(6)(7)將飛行器質(zhì)量參數(shù)、角度參數(shù)代入〔6〕和〔7〕中，經(jīng)化簡后可得，經(jīng)matlab仿真后可得PID仿真圖。圖8PID仿真圖在調(diào)試過程中，系統(tǒng)由于受到閥值電壓的限制，放大器飽和度等約束，PID算法不能到達(dá)預(yù)期值，必須經(jīng)過修正才能到達(dá)系統(tǒng)要求〔稱作飽和效應(yīng)〕，即只有在圍滿足條件。飛行器在大幅度加減速時，短時間產(chǎn)生較大偏差，使PID控制運算積分積累較大，超過系統(tǒng)有效執(zhí)行圍。為了消除和減弱上述問題，可在偏差較大時，去掉積分過程，防止或減弱飽和效應(yīng)。四、測試結(jié)果與誤差分析1、飛行測試反復(fù)進(jìn)展試飛，進(jìn)展采集數(shù)據(jù)，在不同的高度測試四個電機的不同PWM信號值，此值為飛行器起始值狀態(tài)。如表1所示表1起始狀態(tài)值通道周期占空比幅值通道一〔ROLL〕19.73ms7.605％3.64V通道二〔PITCH〕19.28ms7.780％3.64V通道三〔THRO〕19.73ms7.605％3.64V通道四(YAW)18.61ms8.048％3.60V2、無刷電機測試三相全橋驅(qū)動電路利用功率型MOS管作為開關(guān)器件，選用P型MOS管FD6637與N型MOS管FD6635搭配使用。由于四旋翼飛行器要實現(xiàn)自主懸停的關(guān)鍵是需飛行器在傾斜時能在最短的時間回到平衡位，這就要求執(zhí)行機構(gòu)能夠快速反響，即能迅速地增或減小轉(zhuǎn)速。針對四旋翼飛行器，執(zhí)行機構(gòu)中選用無刷電機，無刷電機需要配以無刷電調(diào)使用。常見商品電調(diào)采用的是PPM信號周期為ms，這樣的響應(yīng)速度不能適應(yīng)四飛行器對馬達(dá)制響應(yīng)速度的需求，因此，需要采用自行設(shè)計的接口電調(diào)，它的響應(yīng)周期為2m，控制器通過檢測反電勢過零點控制電機換相進(jìn)控制電機轉(zhuǎn)速，無刷電調(diào)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是如何現(xiàn)反電勢過零檢測，盡管可以用AD實現(xiàn)過零檢，但采用AD采樣方式會增加程序的運行時間降效率，并且由于不需要獲取每時每刻的電壓值，因只需檢測反電動勢過零的時刻，使得問題得到簡化。五、結(jié)論、心得體會經(jīng)過初步調(diào)試,該硬件平臺各項功能均到達(dá)設(shè)計目的,通過這次比賽使我在工程的理論知識與實踐經(jīng)歷相結(jié)合有了更深一步的理解，在比賽過程中遇到了很多困難，但是都被我們一一解決，讓我體會了集體的溫暖與集體蘊含的力量是多么的強大，不管最后結(jié)果如何，至少我們?yōu)檫@個比賽奮斗過、努力過。很屢次我們的困難使我們只能從頭再來，時間在一點一點的流逝，但我們都堅持下來了。這次比賽相比擬于學(xué)知識，更讓我們學(xué)到一種精神，一種不服輸、不放棄、團結(jié)同伴的精神。參考文獻(xiàn)1、振鵬,龔劍.J2ME手機游戲開發(fā)技術(shù)詳解.:清華大學(xué),20062、池雅慶.J2ME手機應(yīng)用工程開發(fā)實踐.:中國鐵道,20073、王森.Java手機程序設(shè)計入門與應(yīng)用.:中國鐵道,20034、EckeB.lJava編程思想.:機械工業(yè),20075、曉勇,黃奇.J2ME程序設(shè)計手機游戲與應(yīng)用程序.:大學(xué),20096、更新,賓晟,海倫.JavaME手機應(yīng)用開發(fā)大全.:科學(xué),2008。7、明志.四旋翼飛行器自動駕駛儀沒計[D].：航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，2008.YANGMing-zhi.Four-RotorAircraftAutopilotDesign[D].Nanjing:CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,20088、金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].：電子工業(yè)，2004.LIUJin-kun.AdvancedPIDControlandMATLABSimulation[M].Beijing:ElectronicIndustryPress,2004.9、POUNDSP，MAHONYR，HYNESP，eta1．Designoffour-rotoraerialrobot[C]／／AustralasianConferenceonRobotiesandAutomation．Auckland：NewZealand。2002：145-150．附錄：附錄1：元器件明細(xì)表R5F100LEA〔瑞薩MCU〕A/D、D/A轉(zhuǎn)換器可編程邏輯器件及其下載板顯示器件小型繼電器小型電機帶防撞圈的四旋翼飛行器角度傳感器超聲傳感器攝像頭附附錄2：儀器設(shè)備清單60MHz雙通道數(shù)字示波器100MHz雙通道數(shù)字示波器低頻信號發(fā)生器〔1Hz~1MHz〕五位半數(shù)字萬用表附錄3：程序清單*include"r_cg_macrodriver.h"*include"r_cg_cgc.h"*include"r_cg_timer.h"*include"r_cg_userdefine.h"*include"mpu3050.h"http://加速度角速度融合器*include"7620.h"http://攝像頭voidR_MAIN_UserInit(void);inta=3000;intb=3000;intc=1900;intd=3000;*defineNUM1800voiddelay1(unsignedinty){inta,b;for(a=0;a<2000;a++)for(b=y;b>0;b--){NOP();}}voiddelay(unsignedint*){inti,j;for(i=0;i<250;i++)for(j=*;j>0;j--){NOP();}}voidmain(void){R_MAIN_UserInit();R_TAU0_