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1、四旋翼自主飛行器(B題)
摘要
系統(tǒng)以R5F100LE作為四旋翼自主飛行器控制的核心，由電源模塊、電機(jī)調(diào)速控制模塊、傳感器檢測模塊、飛行器控制模塊等構(gòu)成。飛行控制模塊包括角度傳感器、陀螺儀，傳感器檢測模塊包括紅外障礙傳感器、超聲波測距模塊、TLS1401-LF模塊，瑞薩MCU綜合飛行器模塊和傳感器檢測模塊的信息，通過控制4個直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)飛行器的欠驅(qū)動系統(tǒng)飛行。在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將小型四旋翼飛行器實時控制算法分為兩個PID控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。測試結(jié)果表明系統(tǒng)可通過各個模塊的配合實現(xiàn)對電機(jī)的精確控制，具有平均速度快、定位誤差小、運(yùn)行較為穩(wěn)定等特點。
2、
目 錄
1 系統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇 - 2 -
1.1 地面黑線檢測傳感器 - 2 -
1.2 電機(jī)的選擇與論證 - 2 -
1.3 電機(jī)驅(qū)動方案的選擇與論證 - 3 -
2 四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計 - 3 -
2.1 四旋翼飛行器動力學(xué)模型 - 3 -
2.2 PID控制算法結(jié)構(gòu)分析 - 3 -
3 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn) - 5 -
3.1飛行控制電路設(shè)計 - 5 -
3.2 電源模塊 - 6 -
3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊 - 6 -
3.4 傳感器檢測模塊 - 7 -
4 系統(tǒng)的程序設(shè)計 - 8 -
5 測試
3、與結(jié)果分析 - 9 -
5.1 測試設(shè)備 - 9 -
5.2 測試結(jié)果 - 9 -
6 總結(jié) - 10 -
附錄A 部分程序清單 - 11 -
1 系統(tǒng)方案論證與控制方案的選擇
根據(jù)題目要求，對該系統(tǒng)的特點及其控制特性進(jìn)行了分析，進(jìn)行了幾種不同設(shè)計方案的比較。
1.1 地面黑線檢測傳感器
探測地面黑線的基本原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白色地面對光的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷黑線?？蓪崿F(xiàn)的方案有：
方案一：采用普通發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案。該方案在實際使用時，容易受到外界光源的干擾，有時甚至檢測不到。主要是因為
4、可見光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情況均對檢測效果產(chǎn)生直接影響。雖然可采取超高高度發(fā)光二極管降低一定的干擾，但這又增加額外的功率損耗。
方案二：紅外避障傳感器E18-D80NK。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，有效的避免了可見光的干擾。透鏡的使用，也使得這款傳感器最遠(yuǎn)可以檢測80厘米距離。檢測障礙物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。并且具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。
比較以上二種方案，方案二占有很大優(yōu)勢，不但能準(zhǔn)確完成測量，而且能避免電路的復(fù)雜性，因此選擇方案二。
5、1.2 電機(jī)的選擇與論證
四旋翼無人飛行器是通過控制四個不同無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制四旋翼無人飛行器的飛行姿態(tài)和位置，與傳統(tǒng)直升機(jī)通過控制舵機(jī)來改變螺旋槳的槳距角，達(dá)到控制直升機(jī)的目的不同。在電機(jī)的選型上，主要有直流有刷電機(jī)和直流無刷電機(jī)兩種。
方案一：直流有刷電機(jī)是當(dāng)前普遍使用的一種直流電機(jī)，它的驅(qū)動電路簡單、控制方法成熟，但是直流有刷電機(jī)使用電刷進(jìn)行換向，換向時電刷與線圈觸電存在機(jī)械接觸，電機(jī)長時間高速轉(zhuǎn)動使極易因磨損導(dǎo)致電氣接觸不良等問題，而且有刷電機(jī)效率低、力矩小、重量大，不適合對功率重量比敏感的電動小型飛行器。
方案二：直流無刷電機(jī)能量密度高、力矩大、重量輕，采用非接觸式的
6、電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了直流有刷電機(jī)的缺點，適用于對功率重量比敏感的用途，同時增強(qiáng)了電機(jī)的可靠性。
所以選擇直流無刷電機(jī)作為動力源。
1.3 電機(jī)驅(qū)動方案的選擇與論證
方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。
方案二:采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較 短、可靠性不高。
7、
方案三:采用全橋驅(qū)動PWM電路。這種驅(qū)動的優(yōu)點是使管子工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，提高使用效率實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的微調(diào)。并且保證了可以簡單的方式實現(xiàn)方向控制。
基于上述理論分析，選擇方案三。
2 四旋翼自主飛行器控制算法設(shè)計
2.1 四旋翼飛行器動力學(xué)模型
設(shè)計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，簡化后的飛行器動力學(xué)模型為
式1-1
式中為四旋翼飛行器在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的線位移，為運(yùn)動加速度，m為飛行器質(zhì)量，分別為機(jī)體的偏航角、俯仰角和橫滾角，為旋翼面中心到四旋翼飛行器質(zhì)心的距離， 為軸向慣性主矩。該動力學(xué)模型對
8、四旋翼飛行器的真實飛行狀態(tài)進(jìn)行了合理的簡化，忽略了空氣阻力等對系統(tǒng)運(yùn)行影響較小的參數(shù)，使得飛行控制算法更加簡潔。
2.2 PID控制算法結(jié)構(gòu)分析
在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將小型四旋翼飛行器實時控制算法分為兩個控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖B-1所示。
給定位置
位置控制
姿 態(tài)
控 制
電機(jī)控制
飛行器機(jī)體
姿態(tài)控制回路
位置控制回路
圖2-1 四旋翼飛行器控制算法結(jié)構(gòu)圖
使用經(jīng)典PID控制算法實現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡單可靠，理論體系完備，而且在長期的應(yīng)用過程中積攢了大量的使用經(jīng)
9、驗，在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良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。
控制回路包含了三個控制量，因此設(shè)計3個獨立的PID控制器對位移進(jìn)行控制。根據(jù)PID控制器的原理，設(shè)分別為比例項、積分項和微分項系數(shù)，有
式1-2
其中，為航姿參考系統(tǒng)測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、俯仰角和橫滾角三個控制量，在此忽略三個通道之間的耦合效應(yīng)，設(shè)計3個獨立的PID控制器對每個量進(jìn)行獨立控制。
10、 式1-3
根據(jù)PID控制器的原理，設(shè)分別為比例項、積分項和微分項系數(shù)，有控制器方程如B-4。
式1-4
其中比例項系數(shù)為3.3積分項系數(shù)為0.14微分項系數(shù)為3.2。
3 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)
系統(tǒng)以R5F100LE單片機(jī)為核心，主要包括電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、飛行控制模塊、傳感器檢測等功能模塊，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。
飛
行
控
制
模
塊
電源模塊
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制器
陀螺儀
角度傳感器
紅外避障傳感器
超聲波傳感器
電子調(diào)速器
無
11、刷直流電機(jī)1
電子調(diào)速器
無刷直流電機(jī)2
電子調(diào)速器
無刷直流電機(jī)3
電子調(diào)速器
無刷直流電機(jī)4
鍵盤
羅盤
圖 2-2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
3.1飛行控制電路設(shè)計
飛行控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部分。它在每個控制周期內(nèi)實時處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和飛行器的姿態(tài)信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，計算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四個電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行。電路圖如圖2-3所示。
圖2-3 飛行控制器電路原理圖
3.2 電源模塊
電源由一塊11.1V 2200ma的鋰電池（重量約為166克）供電，在由電調(diào)降壓給系統(tǒng)
12、中的各個模塊供5v電壓并給電機(jī)提供電流，這樣可滿足可滿足各個小系統(tǒng)的電源要求。
3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊
四電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)中心控制模塊指令驅(qū)動各個電機(jī)到達(dá)指定轉(zhuǎn)速，將電機(jī)的速度通過測速反饋裝置反饋給飛行姿態(tài)控制模塊，控制無刷直流電機(jī)閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，從而控制飛行狀態(tài)，達(dá)到預(yù)期位置和姿態(tài)。通過電子調(diào)速器給電機(jī)提供電流，電子調(diào)速器模塊電路圖如圖2-4所示。
圖2-4 電子調(diào)速器電流圖
3.4 傳感器檢測模塊
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，包括測量機(jī)身三軸角速率的陀螺儀、測量機(jī)身三軸線加速度的加速度傳感器、測量機(jī)身航向及姿態(tài)信息的羅盤，電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測的測速傳感
13、器、飛行高度傳感器和黑線檢測傳感器。其中角度傳感器和陀螺儀電路圖如圖2-5和2-6所示。
圖B-5 角度傳感器電路圖
圖2-6 陀螺儀電路圖
4 系統(tǒng)的程序設(shè)計
本系統(tǒng)以瑞薩MCU為核心，采用C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程。主程序主要起導(dǎo)向和決策的作用，系統(tǒng)的控制總流程圖如圖所示。系統(tǒng)包括延時子程序，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制子程序，檢測子程序，副翼子程序。系統(tǒng)控制的總流程圖如圖2-7所示。部分程序清單見附錄A。
按鍵開始
系統(tǒng)初始化
上升定高
校正姿態(tài)
前行
紅外傳感器1是否檢測到黑線？
計黑線值
減速降落
Y
N
紅外傳感器2是否檢測到黑線？
黑線值=3？
14、
尋點
Y
N
Y
圖2-7 系統(tǒng)主程序流程圖
5 測試與結(jié)果分析
5.1 測試設(shè)備
模擬區(qū)域：按題目要求設(shè)計。
設(shè)備：秒表、卷尺。
測試環(huán)境為室內(nèi)。
5.2 測試結(jié)果
使系統(tǒng)運(yùn)行，參照題目的各項要求進(jìn)行多次實際定量測量，得到該系統(tǒng)的測量結(jié)果如表表B-1所示。
表B-1 測試功能、測試工具及實現(xiàn)的情況表
具體功能要求
實際測試結(jié)果
基本部分
四旋翼自主飛行器一鍵式啟動，從A區(qū)飛向B區(qū)，在B區(qū)降落并停機(jī)；飛行時間不大于45s
可以滿足，飛行時間為15s
四旋翼自主飛行器一鍵式啟動，從B區(qū)飛向A區(qū)，在A區(qū)降落并停機(jī)；飛行時間不大于45
15、s
可以滿足要求，飛行時間為17s
發(fā)揮部分
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(jī)
以上往返飛行時間不大于30s
其他
最為完成發(fā)揮部分但以實現(xiàn)其在一個水平高度前行
經(jīng)測試，系統(tǒng)可以滿足基本要求和部分發(fā)揮部分，并具有穩(wěn)定前行的特點。
6 總結(jié)
本次設(shè)計按照題目要求，采用模塊化的硬件和軟件設(shè)計方法，運(yùn)用PID控制算法，成功地實現(xiàn)了飛行器尋黑帶自主飛行并定點降落的要求。具有飛行穩(wěn)定、運(yùn)動迅速、接收信號靈敏等特點。完成
16、了題目基本部分和部分發(fā)揮部分的要求。
附錄A 部分程序清單
/***********************************************************************************************************************
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* This software is supplied by Renesas Electronics Corporation and is only
* intended for use with Renesas products. No other
17、 uses are authorized. This
* software is owned by Renesas Electronics Corporation and is protected under
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********************
21、***************************************************************************************************/
/***********************************************************************************************************************
* File Name : r_cg_timer_user.c
* Version : CodeGenerator for RL7
22、8/G13 V2.00.00.07 [22 Feb 2013]
* Device(s) : R5F100LE
* Tool-Chain : CA78K0R
* Description : This file implements device driver for TAU module.
* Creation Date: 2013/9/7
**********************************************************************************************************************
23、*/
/***********************************************************************************************************************
Pragma directive
***********************************************************************************************************************/
#pragma interrupt INTTM00 r_tau0
24、_channel0_interrupt
#pragma interrupt INTTM01 r_tau0_channel1_interrupt
#pragma interrupt INTTM02 r_tau0_channel2_interrupt
#pragma interrupt INTTM03 r_tau0_channel3_interrupt
#pragma interrupt INTTM04 r_tau0_channel4_interrupt
#pragma interrupt INTTM05 r_tau0_channel5_interrupt
#pragma interr
25、upt INTTM06 r_tau0_channel6_interrupt
#pragma interrupt INTTM07 r_tau0_channel7_interrupt
/* Start user code for pragma. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
/******************************************************************************
26、*****************************************
Includes
***********************************************************************************************************************/
#include "r_cg_macrodriver.h"
#include "r_cg_timer.h"
/* Start user code for include. Do not edit comment generated here */
27、
/* End user code. Do not edit comment generated here */
#include "r_cg_userdefine.h"
#include "r_cg_kongzhi.h"
#include "r_cg_lcd.h"
/***********************************************************************************************************************
Global variables and functions
*******
28、****************************************************************************************************************/
/* For TAU0_ch0 pulse measurement */
volatile uint32_t g_tau0_ch0_width = 0U;
/* Start user code for global. Do not edit comment generated here */
uint32_t oko=0;
/* End user code.
29、Do not edit comment generated here */
/***********************************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel0_interrupt
* Description : This function is INTTM00 interrupt service routine.
* Arguments : None
30、* Return Value : None
***********************************************************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel0_interrupt(void)
{
if ((TSR00 & _0001_TAU_OVERFLOW_OCCURS) == 1U) /* overflow occurs */
{
31、
g_tau0_ch0_width = (uint32_t)(TDR00 + 1U) + 0x10000U;
}
else
{
g_tau0_ch0_width = (uint32_t)(TDR00 + 1U);
}
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/*********************
32、**************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel1_interrupt
* Description : This function is INTTM01 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
****************************************
33、*******************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel1_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
TDR05=2980;
delayms(500);
TDR05=3025;
dela
34、yms(100);
TDR05=2980;
delayms(500);
TDR05=3040;
delayms(50);
oko++;
if(oko++>=10){R_TAU0_Channel1_Stop();z(2040);}
//xianshi();
/* End user code. Do not edit comment generated here */
35、
}
/***********************************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel2_interrupt
* Description : This function is INTTM02 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
***********
36、************************************************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel2_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
37、/***********************************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel3_interrupt
* Description : This function is INTTM03 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
******************
38、*****************************************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel3_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/******
39、*****************************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel4_interrupt
* Description : This function is INTTM04 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
*************************
40、**********************************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel4_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/*************
41、**********************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel5_interrupt
* Description : This function is INTTM05 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
********************************
42、***************************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel5_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/********************
43、***************************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel6_interrupt
* Description : This function is INTTM06 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
***************************************
44、********************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel6_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/***************************
45、********************************************************************************************
* Function Name: r_tau0_channel7_interrupt
* Description : This function is INTTM07 interrupt service routine.
* Arguments : None
* Return Value : None
**********************************************
46、*************************************************************************/
__interrupt static void r_tau0_channel7_interrupt(void)
{
/* Start user code. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
}
/* Start user code for adding. Do not edit comment generated here */
/* End user code. Do not edit comment generated here */
- 15 -
四旋翼飛行器程序
