電子設計大賽四旋翼設計報告最終版(共14頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上四旋翼飛行器（A 題）參賽隊號：號四旋翼飛行器設計摘要：四旋翼作為一種具有結構特殊的旋轉翼無人飛行器，與固定翼無人機相比，它具有體積小，垂直起降，具有很強的機動性，負載能力強，能快速、靈活的在各個方向進行機動，結構簡單，易于控制，且能執(zhí)行各種特殊、危險任務等特點。因此在軍用和民用領域具有廣泛的應用前景如低空偵察、災害現(xiàn)場監(jiān)視與救援等。多旋翼無人機飛行原理上比較簡單，但涉及的科技領域比較廣，從機體的優(yōu)化設計、傳感器算法、軟件及控制系統(tǒng)的設計都需要高科技的支持。四旋翼無人機的飛行控制技術是無人機研究的重點之一。它使用直接力矩，實現(xiàn)六自由度（位置與姿態(tài)）控制，具有多變量、非

2、線性、強耦合和干擾敏感的特性。此外，由于飛行過程中，微型飛行器同時受到多種物理效應的作用，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾，模型準確性和傳感器精度也將對控制器性能產(chǎn)生影響，這些都使得飛行控制系統(tǒng)的設計變得非常困難。因此，研究既能精確控制飛行姿態(tài)，又具有較強抗干擾和環(huán)境自適應能力的姿態(tài)控制器是微小型四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究的當務之急。一、引言：1.1 題目理解：四旋翼飛行器，顧名思義，其四只旋轉的翅膀為飛行的動力來源。四只旋轉翼是無刷電機，因此對于無刷電機的控制調(diào)速系統(tǒng)對飛行器的飛行性能起著決定性的作用。在本次大賽中，需要利用四旋翼飛行器平臺，實現(xiàn)四旋翼的起飛，懸停，姿態(tài)控制，以及四旋翼和地

3、面之間的測距等功能。1.2 設計思路：為了滿足飛行器的設計要求，要使用以微控制器為核心的控制系統(tǒng)，使本系統(tǒng)以MC9S12XS128模擬出控制信號，用STM32 MMC10接收模擬信號，然后翻譯出模擬信號，利用加速度與陀螺儀傳感器采集飛行器的飛行數(shù)據(jù)，加以閉環(huán)調(diào)控和精準的控制算法。進行上升、下降以及懸停等動作。1.3 特點：本飛行器脫離遙控器控制，用微處理器實現(xiàn)整個飛行過程全自動控制，控制精度高。二、方案設計：系統(tǒng)主要由STM32模塊，微處理器MC9S12XS128模塊，電源模塊，電機模塊，超聲波模塊，加速度陀螺儀模塊等構成。系統(tǒng)總體框圖如下圖（圖2.0）： 圖2.0 其中微處理器MC9S12X

4、S128模塊的外圍電路見附錄一 2.1 控制系統(tǒng)選擇方案：2.1.1 方案一：選擇Coldfire系列芯片作為系統(tǒng)控制的主控板，因為在以往隊員們做過飛思卡爾智能車競賽，對此系列的芯片做的比較熟悉，芯片功能強大，但以往做的核心板較大，所需的電路較多，考慮到四軸飛行器的輕便，故而不太是一個很理想的選擇。2.1.2 方案二：主控板使用STM32。STM32板子的I/O口很多，自帶定時器和多路PWM，可以實現(xiàn)的功能較多，符合實驗要求。Stm32迷你板在體積和重量上也不是很大，對飛機的載重量要求不是很高。綜上所述，我們一致決定使用STM32 MMC10作為此次大學生電子競賽的主控板。2.2 飛行姿態(tài)的方

5、案論證：2.2.1 方案一： 十字飛行方式。四軸的四個電機以十字的方式排列，x軸和y軸成直角，調(diào)整俯仰角和翻滾角的時候分開調(diào)整，角度融合簡單，適合初學者，能明確頭尾，飛行時機體動作精準，飛控起來也容易。  2.2.2 方案二： X行飛行方式。四軸的四個電機以X字的方式排列，靈活性和可調(diào)性較高，調(diào)整的時候應該相鄰兩個融合調(diào)節(jié)，融合復雜。X型飛行方式非常自由靈活，旋轉方式多樣，可以花樣飛行，也可以做出很多高難度動作，但是控制上相對比較困難。綜合以上兩種方案鑒于我們是初次嘗試，所以選擇了方案一。2.3 角度測量模塊方案論證 2.3.1 方案

6、一： 光纖陀螺儀。光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件， 由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變化，決定了敏感元件的角位移。光纖陀螺儀壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕，但是成本較高，鑒于我們這是初次嘗試，需要多次實驗，破壞較大。 2.3.2 方案二： MPU6050三軸陀螺儀。MPU6050三軸陀螺儀就是可以在同一時間內(nèi)測量三個不同方向的加速度、角速度、角度。單軸的話，就只可以測定一個方向的量，那么一個三軸陀螺就可以代替三個單軸陀螺。它現(xiàn)在已經(jīng)成為激光陀螺的發(fā)展趨向，具有可靠性很好、結構簡單不復雜、重

7、量很輕和體積很小等等特點，但是其輸出數(shù)據(jù)需要大量的浮點預算才能保證較高的精度，這樣會影響主控板對最終的姿態(tài)控制的響應速率。  綜合以上兩種方案，我們選擇了方案二2.4 飛行器距地距離顯示的方案論證：2.4.1 方案一：選用LCD液晶顯示：LCD液晶顯示在顯示效果上較豐富，可以顯示字母，數(shù)字等等需求，但在我們實際編寫的時候發(fā)現(xiàn)驅動代碼稍顯復雜，顯示效果在實際光線較亮的時候外界不容易清晰的看到LCD顯示的內(nèi)容，尤其是當四軸飛行器在實際飛行的過程中，顯示效果并不理想。2.4.2 方案二：選用LED數(shù)碼管顯示：實際的觀察中，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管的顯示比較單一，但顯示內(nèi)容清晰可辨認，實際使用中對系統(tǒng)的占

8、用資源也比較少。考慮比賽要求只要求看到實際的顯示效果，因而我們決定使用數(shù)碼管來顯示四軸飛行器距離地面的距離。2.5 確定方案之后，針對題目要求，最終編寫出合適算法，進行控制。程序流程圖如下（圖2.1）： 圖2.12.6 程序部分核心代碼見附錄二三 、設計實現(xiàn)：3.1 超聲波測距模塊:由于競賽要求需要四軸飛行器懸停在一個距離，因而在我們做的過程中，選用超聲波傳感器用于測量四軸飛行器距離地面的距離，測量誤差實際保證在1cm一下，基本做到精確測量，在寫超聲波模塊的驅動時，開始我們只想通過在程序中寫一個無限循環(huán)的延時程序來測量超聲波往返的時間，這種方法在開始單步調(diào)試測距的時候表現(xiàn)正常，可以讀到正確數(shù)據(jù)

9、，但在單片機中加入中斷優(yōu)先級的程序時這種方法就不能勝任了。最后經(jīng)我們小組討論決定利用單片機的pit中斷實現(xiàn)超聲波模塊的測量往返時延，測量精確。實驗效果較好。3.2 顯示報告飛行高度:在我們的方案設計中小隊決定使用數(shù)碼管來顯示四軸飛行器距離地面的高度，在我們做的過程中首先要解決的問題就是選用靜態(tài)顯示還是動態(tài)顯示的問題，開始因為想的比較簡單就想單純的用I/O口置高與置低電平來控制LED數(shù)碼管的亮暗，發(fā)現(xiàn)如果4位數(shù)碼管顯示的話所用到的I/O口就需要4*8=32個IO口，這對單片機有限的引腳來說是一個巨大的負擔，在查找資料與請教老師后我們找到一種動態(tài)顯示數(shù)碼管的方法很好的解決了這個問題，所需引腳僅僅用

10、11個，實際測試中，顯示效果很好。四、 測試：4.1 硬件測試：將四旋翼模型拆解，然后用物理法測量中心，使其重心維持在四軸飛行器的中心。然后按順序將電池，主控板，陀螺儀等機械硬件使其牢固的裝在模型飛機上。硬件測試使用了萬能角度尺、示波器、萬用表、壓線鉗、電量測量儀等。4.2 軟件測試：為了保證PWM波輸出的正確性，每次改動程序初始化之后用示波器測試波形的輸出，保證其占空比和周期的正確性。在正式算法程序之前，又用串口顯示每個電機PWM輸入，觀察電機在各個PWM占空比的電機轉速。確保軟件反應硬件是規(guī)律一致的。軟件測試最關鍵的是PID的參數(shù)調(diào)試，其中，p參數(shù)是調(diào)整整個四旋翼飛行器的反應速度和力度的，

11、調(diào)節(jié)p參數(shù)以當整個模塊反應迅速并且四旋翼振動頻率四邊偏差不大的時候即可完成，d參數(shù)在這之中的目的是一個抑制作用，當振蕩幅度過大的時候能從任意角度一次直接返回平衡位置。I參數(shù)是一個積分項，當哪一邊反應過小時可以加一個i參數(shù)，這樣就成了一個完整的PID參數(shù)調(diào)試了。4.3 硬件軟件聯(lián)合測試：此步主要通過在STM32平臺下進行編程，進行一系列的算法設計與調(diào)校，確認四旋翼飛行器是否能夠飛行，通過大量的測試與實踐，找出能剛剛使飛行器的電機占空比（PWM）值，當然，這一步可以通過聯(lián)合超聲波距離傳感器設計一個動態(tài)PID調(diào)節(jié)，具體的調(diào)節(jié)方法依據(jù)能反應姿態(tài)的傳感器聯(lián)合作用。五、 完成情況：在本小組所有隊員這幾天的

12、努力調(diào)試下，本次完成情況如下，飛行器能夠垂直起飛，起飛后能在50cm出懸停5s以上，然后飛行器可以繼續(xù)垂直上升至100cm出，能懸停5s以上，在平穩(wěn)回到原地的過程中，因為沒有其他的傳感器給飛行器提供路徑的識別，所以回到原地的過程中，一切只能依靠軟件與經(jīng)驗來模擬，故實際使用中發(fā)現(xiàn)做到這一步誤差存在，在飛行器起飛至50100cm的高度上，懸停5s以后，然后水平飛行200cm，這一步也是由于沒有具體的識別方法，依靠軟件實際測試得出的規(guī)律來確定200cm的大致飛行時間與速度，因而依然存在誤差。由于我們把數(shù)碼管和超聲波做好，因而顯示飛行器距地距離很順利?？傮w比賽內(nèi)容大致完成。六、總結：本次參加電子設計大

13、賽，我們將以往的一些經(jīng)驗雜糅成新，深刻認識到軟硬件結合的重要性。四旋翼的完成，硬件是基礎，只有在能靈活熟練地使用硬件，才能更加方便的編寫質量好的軟件。另外一個不可忽視的問題便是方案的選取。一個項目的完成可能會有很多種方案，而且不同方案在實現(xiàn)之前不可預知其好壞以及是否適合本項目的完成，這就衍生出更多的實踐測試，項目的完成不可一蹴而就，認真對待，在摸爬滾打中可積累更多的經(jīng)驗。 另外，基于軟硬件的項目，其機械性能也會有不可小覷的影響。起初我隊在搭建機械的時候忽視了四旋翼的重心，認為機械重心的便宜可通過算法的自我調(diào)控來調(diào)節(jié)，事實證明，這種想法是錯誤的，好的機械性能更有利于算法的實現(xiàn)，機械搭建的好，便更

14、容易調(diào)試軟件。在完成的過程中，我隊深刻意識到在嵌入式的開發(fā)過程中，對軟件質量的要求很高，所以在實際的編寫過程中，優(yōu)異的代碼與思想或許尤為重要，而我們在這方面還多有不足，在此過程中，我們因為傳感器的不足，有些想法不能做，但也正是缺少直接的東西，讓我們可以很好的發(fā)現(xiàn)其他的解決方法，以后還需努力。附錄一：附錄二：（部分核心代碼）/*超聲波模塊*/ int csb(void) int d=0; PTT_PTT5 = 1; delayus(10); PTT_PTT5 = 0; while(PTIT_PTIT3!=1); count=0; while(PTIT_PTIT3=1); d=count*17/1

15、0; return d; /*數(shù)碼管顯示模塊*/ void show123(x) if(x=0) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = down; else if(x=1) PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; el

16、se if(x=2) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = down; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; else if(x=3) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = up; else if(x=4) PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = u

17、p; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; else if(x=5) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; else if(x=6) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA

18、_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; else if(x=7) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; else if(x=8) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up;

19、 else if(x=9) PORTA_PA1 = up; PORTA_PA2 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = up; else if(x=10) PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2 = down; PORTA_PA3 = down; PORTA_PA4 = down; PORTA_PA5 = down; PORTA_PA6 = down; PORTA_PA7 = down; else PORTA_PA1 = down; PORTA_PA2

20、 = up; PORTA_PA3 = up; PORTA_PA4 = up; PORTA_PA5 = up; PORTA_PA6 = up; PORTA_PA7 = down; /*起飛模塊*/ void startfly(void) PWMDTY2=25; show_xt=10; show_a=show_b=10; show_c=0; delayms(2000); PWMDTY0=1185>>8; PWMDTY1=1185; PWMDTY3=19; PWMDTY2=19; void main(void) int i=0; int P=12,I=0,D=150; PLL_Init(

21、); PWM_Init(); DDRT_DDRT3 = 0; DDRT_DDRT5 = 1; DDRA=0xFF; DDRT_DDRT2 = 1; DDRT_DDRT4 = 1; DDRT_DDRT6 = 1; PIT_Init(); EnableInterrupts; delayms(4000); startfly(); delayms(2000); /* GetDIPSwitch(); if(DIPSwitch_DIPS8=0) bmkg =100; */ while(s<=14) if(s>=11) want=350; if(s>=12) want=350; if(s&

22、gt;=14) want=150; delayms(40); test=csb(); now_high=want-test; PI+=I*now_high; PWM3_ls=P*now_high+PI+D*(now_high-last_high); PWM3=1160+PWM3_ls/100; llst_high=last_high; last_high=now_high; if(PWM3>1230) PWM3=1230; else if(PWM3<1100) PWM3=1100; PWMDTY4=PWM3>>8; PWMDTY5=PWM3; test=test/10; if(csb_count>3000) csb_count=0; if(test<10) show_a=10; show_b=10; show_c=te