四軸飛行器

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1、 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： XXX 四軸飛行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目錄 1.引言 1 2.四軸飛行器的飛行原理 2 2.1四旋翼飛行器結(jié)構(gòu) 2 2.2運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 3 2.3技術(shù)難點(diǎn) 3 2.4飛行姿態(tài) 4 3.飛行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 3.1姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 8 3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 8 3.3主控制模塊 9 3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 9 3.5無(wú)線通信模塊 9 3.6電源模塊 9 4.硬件設(shè)計(jì) 10 4.1?器件清單列表? 10 4.2?模塊的介紹 11 4.2

2、.1上位機(jī) 11 4.2.3?MPU6050模塊 13 4.2.4?STM32芯片 14 4.2.5?電調(diào)? 14 4.2.6 無(wú)刷電機(jī) 15 5.控制部分 15 5.1?姿態(tài)控制系統(tǒng)功能 16 5.2姿態(tài)解算 17 5.3 PID控制 17 6 .設(shè)計(jì)總結(jié) 18 1.引言 四軸飛行器是一種多軸飛行器，有四個(gè)旋翼來(lái)懸停、維持姿態(tài)及平飛。和固定翼飛機(jī)不同，它通過(guò)旋翼提供的推力使飛機(jī)升空。它的四個(gè)旋翼大小相同，分布位置接近對(duì)稱。對(duì)于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅僅通過(guò)調(diào)整不同旋翼之間的相對(duì)速度來(lái)調(diào)節(jié)不同位置的推力，并克服每個(gè)旋翼之間的反扭力矩，就可以控制飛機(jī)

3、維持姿態(tài)、或完成各種機(jī)動(dòng)飛行。這一點(diǎn)和直升機(jī)不同，常見(jiàn)的直升機(jī)有兩個(gè)旋翼，尾槳只起到抵消主旋翼產(chǎn)生的扭矩，控制飛機(jī)偏航運(yùn)動(dòng)的功能。 早期飛機(jī)設(shè)計(jì)中，四軸飛行器被用來(lái)解決旋翼機(jī)的扭矩問(wèn)題。主副旋翼的設(shè)計(jì)也可以解決扭矩問(wèn)題，但副旋翼不能提供升力，效率低。且使用尾槳的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上比使用多旋翼要復(fù)雜很多。因此四軸飛行器是最早的一批比空氣重的垂直起降飛行器。但是早期的型號(hào)性能很差，難于操控和大型化。尤其是油門(mén)的控制難以做到精確和迅速。更加上傳統(tǒng)的直升機(jī)構(gòu)型在巡航時(shí)的效率要優(yōu)于四軸飛行器。故此在直升機(jī)的技術(shù)問(wèn)題得以解決后，四軸飛行器迅速?gòu)娘w行器設(shè)計(jì)方式中銷聲匿跡了。 近來(lái)四軸飛行器在無(wú)人機(jī)

4、領(lǐng)域獲得了新生。使用電傳飛行控制系統(tǒng)以及油門(mén)響應(yīng)速度迅速的電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，克服了四軸飛行器的主要缺點(diǎn)。四軸飛行器飛行穩(wěn)定，操控靈活，可以在戶內(nèi)和戶外使用。和直升機(jī)相比，它有許多優(yōu)點(diǎn)：它的旋翼角度固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。每個(gè)旋翼的葉片比較短，葉片末端的線速度慢，發(fā)生碰撞時(shí)沖擊力小，不容易損壞，對(duì)也人更安全。有些小型四軸飛行器的旋翼有外框，避免磕碰。因?yàn)樗妮S飛行器體積小、重量輕，攜帶方便，能輕易進(jìn)入人不易進(jìn)入的惡劣環(huán)境。常用來(lái)制作模型，也用來(lái)執(zhí)行航拍電影取景、實(shí)時(shí)監(jiān)控、地形勘探等飛行任務(wù)。 本文主要就小型電動(dòng)四軸飛行器，介紹對(duì)四軸飛行原理，重點(diǎn)講解對(duì)其飛行姿態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)方案。 2.四軸飛行

5、器的飛行原理 2.1四旋翼飛行器結(jié)構(gòu) 形式如圖所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。 2.2運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢(shì)：各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對(duì)機(jī)身的反扭矩。四旋翼飛行器在空間共有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），這6個(gè)自由度的控制都可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。 其基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別是： （1）垂直運(yùn)動(dòng)； （2）俯仰

6、運(yùn)動(dòng)； （3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； （4）偏航運(yùn)動(dòng)； （5）前后運(yùn)動(dòng)； （6）側(cè)向運(yùn)動(dòng)； 2.3技術(shù)難點(diǎn) （1） 在飛行過(guò)程中它不僅受到各種物理效應(yīng)的作用，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾，很難獲得其準(zhǔn)確的性能參數(shù)。 （2） 微型四旋翼無(wú)人飛行器是一個(gè)具有六個(gè)自由度，而只有四個(gè)控制輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和干擾敏感的特性，使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得非常困難。 （3） 利用陀螺進(jìn)行物體姿態(tài)檢測(cè)需要進(jìn)行累計(jì)誤差的消除，怎樣建立誤差模型和通過(guò)組合導(dǎo)航修正累積誤差是一個(gè)工程難題。這三個(gè)問(wèn)題解決成功與否，是實(shí)現(xiàn)微型四旋翼無(wú)人飛行器自主飛行控制的關(guān)鍵，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值

7、。 2.4飛行姿態(tài) （1）垂直運(yùn)動(dòng)——在圖中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。 （2）俯仰運(yùn)動(dòng)——在圖（b）中，電機(jī)1的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2、電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體

8、扭矩及總拉力改變，旋翼1與旋翼3轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞y軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。 （3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)——與圖b的原理相同，在圖c中，改變電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （4） 偏航運(yùn)動(dòng)——四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中

9、的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的來(lái)年各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖d中，當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼1和旋翼3對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī)1、電機(jī)3的轉(zhuǎn)向相反。 （5）前后運(yùn)動(dòng)——要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖e中，增加電機(jī)3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)

10、減小電機(jī)1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。當(dāng)然在圖b圖c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿x、y軸的水平運(yùn)動(dòng)。 （6） 側(cè)向運(yùn)動(dòng)——在圖f中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。 3.飛行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本四軸飛行器控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)人的遙控操作及自動(dòng)增穩(wěn)功能。飛行器通過(guò)接收機(jī)接收到的遙控指令完成操作者的遙控操作，同時(shí)具有感知飛行姿態(tài)并自動(dòng)調(diào)整的功能。整個(gè)控制系統(tǒng)包括

11、電源模塊、無(wú)線通訊模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制器模塊。無(wú)線收發(fā)模塊接受遙控器傳來(lái)的控制信號(hào)，然后將控制信息傳送給控制器模塊。傳感器模塊采用三軸加速度傳感器、陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器飛行的實(shí)際姿態(tài)，并將飛行器的實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給控制器模塊?？刂破髂K接收到傳感器模塊和無(wú)線通訊模塊傳來(lái)的目標(biāo)姿態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)后，完成一系列復(fù)雜的算法，得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行，并將遙測(cè)信息通過(guò)無(wú)線通訊模塊傳送到地面控制站。 圖3.1系統(tǒng)框架圖 3.1姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 四軸飛

12、行器飛行器在某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)由6個(gè)物理量來(lái)描述，包括在三維坐標(biāo)中的3個(gè)位置量和沿3個(gè)軸的姿態(tài)量(即稱為六自由度)。傳感器作為一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。因此傳感器模塊是為四旋翼飛行器的飛行控制提供各種飛行參數(shù)的裝置，包括測(cè)量機(jī)身三軸角速率的陀螺儀、測(cè)量機(jī)身三軸線加速度的加速度計(jì)、測(cè)量機(jī)身航向及姿態(tài)信息的羅盤(pán)等。在測(cè)量過(guò)程中由于陀螺儀存在溫漂和數(shù)字羅盤(pán)受周圍磁場(chǎng)的影響，導(dǎo)致測(cè)得的姿態(tài)信息并不準(zhǔn)確，因此將陀螺儀、加速度計(jì)和數(shù)字羅

13、盤(pán)結(jié)合起來(lái)獲取準(zhǔn)確的偏航角、滾轉(zhuǎn)角、俯仰角信息。 （1）加速度傳感器：加速度傳感器用于測(cè)量機(jī)身相對(duì)于水平面的傾斜角度,?利用了地球萬(wàn)有引力，把重力加速度投影到X,Y,Z軸上，測(cè)量出物體的姿勢(shì)。????? （2）陀螺儀：利用旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)的不變性，測(cè)量外力對(duì)物體的影響。跟地球萬(wàn)有引力和地球南北極的磁力具有固定方向性不同，旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸方向是不確定的，因而角速度傳感器只能用來(lái)測(cè)量位置改變，而無(wú)法像加速度傳感器和地磁傳感器那樣，測(cè)量出物體的絕對(duì)角度和姿勢(shì)。?? （3）地磁傳感器是用來(lái)確定方向的。它利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極，其基本原理和我們熟知的指南針差不多。三維地磁傳感

14、器通過(guò)給出在X軸，Y軸和Z軸上的地磁力投影，可以提供活動(dòng)物體的航向角?、俯仰角和橫滾角，從而可以確定物體的姿?態(tài)，實(shí)際上就是確定了物體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，需要注意周圍物體所產(chǎn)生出來(lái)的磁場(chǎng)對(duì)傳感器造成的干擾。 3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 根據(jù)中心控制模塊指令驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速，將電機(jī)的速度通過(guò)測(cè)速反饋裝置反饋給控制器模塊，利用閉環(huán)控制來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速為預(yù)期值。從而實(shí)現(xiàn)四軸飛行器不同的飛行狀態(tài)。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)一般由電子換相電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和電動(dòng)機(jī)本體三部分組成，電子換相電路一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)一般用位置傳感

15、器來(lái)完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。 3.3主控制模塊 中心控制模塊即飛行控制系統(tǒng)的核心處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)角速率(俯仰角速率、橫滾角速率和偏航角速率)、三軸的線加速度和航向信息并實(shí)時(shí)解算；根據(jù)檢測(cè)到的飛行信息，結(jié)合既定的控制方案，計(jì)算輸出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)四個(gè)電機(jī)工作，保持四軸飛行器穩(wěn)定飛行，通過(guò)無(wú)線通信模塊與地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)接收控制命令改變飛行狀態(tài)和下傳飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。 PWM脈沖控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)

16、關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 通過(guò)控制PWM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加在兩端實(shí)際等效電壓的控制從而實(shí)現(xiàn)控制速度，PWM?占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。 3.5無(wú)線通信模塊 通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立地面控制站和飛行器的通信鏈路。地面控制站向主控模塊傳輸飛行和任務(wù)控制指令，同時(shí)中心控制模塊發(fā)送

17、飛行狀態(tài)、任務(wù)狀況等。 3.6電源模塊 為機(jī)載控制系統(tǒng)、電機(jī)等提供電源，電池有鎳氫電池和鋰電池。鋰電池的電流釋放量C系數(shù)普遍比鎳氫電池大，而且比較恒定，因此選擇鋰電池。電池的選擇主要看兩個(gè)性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飛行器的續(xù)航能力就越長(zhǎng)。但容量越大的電池其重量就越重，因此容量選擇既需要滿足有一定的續(xù)航能力，且較輕。 4.硬件設(shè)計(jì) 4.1?器件清單列表? F330機(jī)架、朗宇?angel系列無(wú)刷電機(jī)（4個(gè)）、30A中特威AL電調(diào)?（4個(gè)）、正反槳各兩片、鋰電池2200mah一塊、STM32芯片一片、MPU6050、NRF24l01收發(fā)模塊。各個(gè)部分的連接如下圖所示

18、： 圖4.1 電器結(jié)構(gòu)圖 所有器件組合起來(lái)，構(gòu)成如下的四軸飛行器：圖4.2 實(shí)物圖 4.2?模塊的介紹 4.2.1上位機(jī) 上位機(jī)的主要作用是顯示飛行器的飛行姿態(tài)和發(fā)出對(duì)飛行器的控制信息。利用上位機(jī)，我們可以很方便的對(duì)飛行器就行PID調(diào)節(jié)，可以實(shí)時(shí)改變飛機(jī)的參數(shù)。上位機(jī)還有波形顯示，校準(zhǔn)等基本功能。 圖4.3 上位機(jī)操作界面 4.2.2?NRF24l01?收發(fā)模塊 NRF24.L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4?GHz～2.5?G

19、Hz?ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9?mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 圖4.4 NRF24l01管腳圖 圖3.5 NRF24l01電路原理圖 無(wú)線模塊的通信調(diào)試中過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，首先是收發(fā)端的程序必須要配對(duì)使用，還要設(shè)置相同的波特率，無(wú)線模塊才可以進(jìn)行收發(fā)信息。這是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一大難點(diǎn)。

20、4.2.3?MPU6050模塊 MPU-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、磁力傳感器等外接傳感器。? 感測(cè)范圍:MPU-6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g與±16g。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VVDIO供電為1.8V±?5%。MPU-6050的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性

21、的尺寸。其他的特征包含內(nèi)建的溫度感測(cè)器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。 MPU6050是整個(gè)飛行器能夠飛行的保證，就像是飛機(jī)的感官一般，時(shí)刻反應(yīng)著飛行器的各種狀態(tài)。然后通過(guò)stm32芯片的處理，輸出信號(hào)去控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證飛行器可以穩(wěn)定飛行，并根據(jù)飛行要求調(diào)整自身。 圖4.6 MPU6050?電路原理圖 4.2.4?STM32芯片 飛行器的大腦，核心部件，信息的交換、處理中心。本次設(shè)計(jì)中使用的STM32具體型號(hào)是STM32F103VET6。 圖4.7 引腳圖

22、 圖4.8 最小系統(tǒng)電路 4.2.5?電調(diào)? 電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文electronic?speed?controller,簡(jiǎn)稱ESC。針對(duì)電機(jī)不同，可分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于它們的連接，一般情況下是這樣的：? (1)?電調(diào)的輸入線與電池連接；? (2)?電調(diào)的輸出線（有刷兩根、無(wú)刷三根）與電機(jī)連接；? (3)?電調(diào)的信號(hào)線與接收機(jī)連接。 同時(shí)，電調(diào)可以輸出一個(gè)5V左右的穩(wěn)壓直流電源，可以直接為主控芯片供電，可以省掉一個(gè)穩(wěn)壓電路。信號(hào)線為接收機(jī)供電，接收機(jī)再為舵機(jī)等控制設(shè)備供電。 在本次設(shè)計(jì)中，使用

23、的是無(wú)刷電調(diào)，輸出線有三根，一根5V的電源，一根地線，還有一根PWM信號(hào)控制輸出線。由于電調(diào)輸出的5V電壓足夠穩(wěn)定，可以直接用來(lái)給飛控供電。 4.2.6 無(wú)刷電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)上，無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)有相似之處，也有轉(zhuǎn)子和定子，只不過(guò)和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)相反；有刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是線圈繞組，和動(dòng)力輸出軸相連，定子是永磁磁鋼；無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機(jī)用來(lái)交替變換電磁場(chǎng)的換向電刷，故稱之為無(wú)刷電機(jī)。 無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)明運(yùn)行原理:簡(jiǎn)單而言，依靠改變輸入到無(wú)刷電機(jī)定子線圈上的

24、電流波交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成一個(gè)繞電機(jī)幾何軸心旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了，電機(jī)的性能和磁鋼數(shù)量、磁鋼磁通強(qiáng)度、電機(jī)輸入電壓大小等因素有關(guān)，更與無(wú)刷電機(jī)的控制性能有很大關(guān)系，因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，電流需要電子調(diào)速器將其變成3相交流電，還需要從遙控器接收機(jī)那里接收控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足模型使用需要。 本次設(shè)計(jì)中，無(wú)刷電機(jī)的KV值為980，額定工作電壓為11.1v。當(dāng)油門(mén)調(diào)到最大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘兩萬(wàn)多轉(zhuǎn)，負(fù)載1kg左右的東西飛行器依然可以正常飛行。由于電機(jī)的高轉(zhuǎn)速，在調(diào)試過(guò)程中，要注意別被槳刮到。 5控制部分 ? 本設(shè)

25、計(jì)只有兩個(gè)傳感器，只能測(cè)量四軸飛行器的PITCH和ROLL兩個(gè)自由度，不能測(cè)量YAW。程序控制的思路如下圖所示： 圖5.1程序流程圖 5.1?姿態(tài)控制系統(tǒng)功能 四軸飛行器是一個(gè)具有6個(gè)自由度和4個(gè)輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),?具有不穩(wěn)定和強(qiáng)耦合等特點(diǎn),?除了受自身機(jī)械結(jié)構(gòu)和旋翼空氣動(dòng)力學(xué)影響外,?也很容易受到外界的干擾。無(wú)人機(jī)的姿態(tài)最終通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,?飛行控制系統(tǒng)通過(guò)各傳感器獲得無(wú)人機(jī)的姿態(tài)信息,經(jīng)過(guò)一定的控制算法解算出4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過(guò)I2C接口發(fā)送給電機(jī)調(diào)速器(簡(jiǎn)稱電調(diào)),調(diào)整4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以實(shí)現(xiàn)對(duì)其姿

26、態(tài)的控制。姿態(tài)控制是整個(gè)飛行控制的基礎(chǔ),根據(jù)姿態(tài)控制子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,姿態(tài)控制系統(tǒng)需要檢測(cè)的狀態(tài)有:無(wú)人機(jī)在機(jī)體坐標(biāo)系下3個(gè)軸向的角速度、角度和相對(duì)地面的高度。飛控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著傳感器信息采集、控制算法解算及通信等各種任務(wù),是整個(gè)無(wú)人機(jī)的核心，其主要功能有： (1)?主控制器能快速獲得各傳感器的數(shù)據(jù),?并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;? (2)?傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)人機(jī)的狀態(tài),?包括姿態(tài)、位置、速度等信息; (3)?主控制器能與PC?機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;? (4)?系統(tǒng)能進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。 實(shí)現(xiàn)以上功能的模塊式MPU6050和NRF24l01。 5.2姿態(tài)解算

27、姿態(tài)矩陣的解算是慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算的核心，四元數(shù)法效率高、實(shí)時(shí)性好，因此該法應(yīng)用最廣泛。在飛行器六自由度動(dòng)力學(xué)仿真中，由于質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)是相互耦合的，所以姿態(tài)解算方法也是影響動(dòng)力學(xué)仿真性能的重要因素。無(wú)論是慣導(dǎo)計(jì)算還是動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，姿態(tài)解算的流程一般為：首先由慣性器件或姿態(tài)動(dòng)力學(xué)積分得到飛行器相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的角速度或角增量；然后采用不同的姿態(tài)解算方法對(duì)角速度或角增量進(jìn)行積分，得到歐拉角或四元數(shù)信息；最后計(jì)算姿態(tài)矩陣。 5.3 PID控制 PID（比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation））控制器作為最早實(shí)用化的

28、控制器已有近百年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t）與輸出u(t）的關(guān)系為:? u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]?.................（1） 式中積分的上下限分別是0和t，因此它的傳遞函數(shù)為：??? ??G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]....................（2）? 其中kp為比例系數(shù)；TI

29、為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。? PID控制器用途廣、使用靈活，在使用中只需要設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp，?Ti和Td）即可。有些情況下去其中的一到兩個(gè)單元，但比例單元必不可少。? PID的參數(shù)比較容易整定，在本次設(shè)計(jì)中，我采用的PID整定方法就是直接通過(guò)上位機(jī)改變PID的參數(shù)。 圖5.2 上位機(jī)PID調(diào)節(jié)界面 通過(guò)改變上圖中PITCH和ROLL框格中的PID參數(shù)，然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊寫(xiě)入飛控，就可以調(diào)節(jié)飛行器的狀態(tài)。 不同的參數(shù)，會(huì)使飛行器有明顯不同的飛行狀態(tài)，在PITCH（187,5,4）和ROLL（187,5,4）的時(shí)候

30、，飛行器可以實(shí)現(xiàn)懸停。但是外界的因素對(duì)飛行器的穩(wěn)定有很大的影響，一點(diǎn)點(diǎn)改變就導(dǎo)致飛行器亂飛。系統(tǒng)控制的穩(wěn)定度不高。 6 .設(shè)計(jì)總結(jié) 本次設(shè)計(jì)的題目是四軸飛行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)四軸飛行器的工 作原理，設(shè)計(jì)四軸飛行器的控制系統(tǒng)，對(duì)硬件的各個(gè)模塊進(jìn)行計(jì)算選擇，綜合各種因素來(lái)完善飛控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制。設(shè)計(jì)初期，查閱了大量相關(guān)資料，熟悉了設(shè)計(jì)題目并對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了一些分析，也咨詢了很多相關(guān)專業(yè)的同學(xué)，在這個(gè)過(guò)程中慢慢形成了思路。開(kāi)始著手去做的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，和同學(xué)討論修改方案使我受益良多，拓寬了自己的思路同時(shí)提高了自己的動(dòng)手能力。因?yàn)闀r(shí)間和個(gè)人能力原因，本次設(shè)計(jì)還有很多不足，相信這些會(huì)在我以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步完善。 第 16 頁(yè)