四軸飛行器控制系統(tǒng)研究

四軸飛行器控制系統(tǒng)研究學(xué)生：李正東學(xué)號(hào)：20091151037專業(yè)：09電子信息工程（1）班指導(dǎo)教師：楊為民謝時(shí)儉一、研究的背景及意義飛行器可用于民用事業(yè)、滿足國(guó)防需求，也可以開發(fā)和利用航空資源，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行器都進(jìn)行了大量的研究。一般的，對(duì)飛行器的研究主要分為三個(gè)類型，固定翼機(jī)、旋翼機(jī)和撲翼機(jī)。無人飛行器（UAV）自主飛行的技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求，例如軍事（偵察目標(biāo)捕獲與營(yíng)救任務(wù)等），科學(xué)數(shù)據(jù)采集（地質(zhì)、林業(yè)勘探、農(nóng)業(yè)病蟲害防治等），視頻監(jiān)控（航拍FPV、影視制作等）等。利用無人飛行器來完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障。一、研究的背景及意義四軸飛行器屬旋翼飛行器，具有操作簡(jiǎn)單、控制靈活，便于起降，可以懸停等優(yōu)點(diǎn)，它小巧的體積可以適用于很多的用途。四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單翼直升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)生更大的升力，同時(shí)可以通過反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專門的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對(duì)于操作者的要求不高等特點(diǎn)，這對(duì)于廣泛的應(yīng)用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，因此對(duì)于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。二、本論文研究的目的在無人飛行器自主飛行技術(shù)當(dāng)中，飛行器自主飛行控制算法的設(shè)計(jì)一直是控制領(lǐng)域眾多研究者最關(guān)心和最關(guān)鍵的問題之一。傳統(tǒng)的控制策略是在飛行器系統(tǒng)的某個(gè)特定作用點(diǎn)上首先將系統(tǒng)模型線性化，然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制，控制精度和控制能力相對(duì)偏弱。相比之下，運(yùn)用現(xiàn)代非線性控制理論設(shè)計(jì)的控制算法，其性能明顯優(yōu)于經(jīng)典控制算法二、本論文研究的目的小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且只需通過改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制，飛行機(jī)動(dòng)能力靈活。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有小區(qū)域范圍內(nèi)起飛、盤旋，飛行、著陸的能力。同時(shí)，小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制，先進(jìn)傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。二、本論文研究的目的本文通過實(shí)際制作一個(gè)小型的四軸飛行器，用以驗(yàn)證控制算法的可行性。圍繞小型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究這一主題，在建立的飛行器動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于經(jīng)典PID和互補(bǔ)濾波算法的四旋翼飛行器自動(dòng)懸?？刂葡到y(tǒng)，并通過在驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證。商用Drangonflyer

外觀EADSQuattrocopter

外觀X-4Flyers外觀康奈爾大學(xué)設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器外觀瑞士聯(lián)邦工學(xué)院設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器外觀不列顛哥倫比亞大學(xué)設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器及其控制系統(tǒng)外觀三、系統(tǒng)組成四軸飛行器系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，他們分別是：（1）旋翼驅(qū)動(dòng)部分（2）姿態(tài)探測(cè)部分（3）超聲波測(cè)距部分（4）遙控收發(fā)部分（5）電源部分（6）單片機(jī)控制部分（7）飛行器機(jī)架部分1、系統(tǒng)框圖單片機(jī)控制部分旋翼驅(qū)動(dòng)部分姿態(tài)探測(cè)部分超聲波測(cè)距部分電源部分遙控收發(fā)部分機(jī)架部分2、實(shí)物圖3、

四軸飛行器的飛行原理簡(jiǎn)介四軸飛行器有四個(gè)電機(jī)呈X字形排列，驅(qū)動(dòng)四片槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力；四個(gè)電機(jī)軸距幾何中心的距離相等，當(dāng)對(duì)角兩個(gè)軸產(chǎn)生的升力相同時(shí)能夠保證力矩的平衡，四軸不會(huì)向任何一個(gè)方向傾轉(zhuǎn)；而四個(gè)電機(jī)一對(duì)正轉(zhuǎn)，一對(duì)反轉(zhuǎn)的方式使得繞豎直軸方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡，保證了四軸航向的穩(wěn)定。四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做相應(yīng)的變化即可實(shí)現(xiàn)四軸橫向、縱向、豎直方向和偏航方向上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)槳的升力與四軸本身的重力相等的時(shí)候即實(shí)現(xiàn)懸停，其他方式的運(yùn)動(dòng)原理與以上過程類似.四軸飛行原理雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來還需很多工作要做。四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用siliconlabs公司的C8051f系列單片機(jī)為核心，搭載多個(gè)傳感器，并且盡量采用貼片封裝元器件，以減小控制板的重量。1、旋翼驅(qū)動(dòng)部分電調(diào)全稱電子調(diào)速器，英文electronicspeedcontroller,簡(jiǎn)稱ESC。針對(duì)電機(jī)不同，可分為有刷電子調(diào)速器和無刷電子調(diào)速器。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它的連接，一般情況下是這樣的：1、電調(diào)的電源輸入線與電池連接；2、電調(diào)的輸出線（有刷兩根、無刷三根）與電機(jī)連接；3、電調(diào)的信號(hào)線與接收機(jī)連接。電調(diào)一般有電源輸出功能，即在信號(hào)線的正負(fù)極之間，有5V左右的電壓輸出，通過信號(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。電調(diào)實(shí)物無刷電機(jī)正反螺旋漿對(duì)外接口名稱說明+11.1V電源+5V電源輸出SIGNAL控制信號(hào)PWMGND地線2、姿態(tài)探測(cè)部分采用傳感器為磁阻傳感器HMC5883L、6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050、數(shù)字氣壓傳感器BMP085，通過以上傳感器對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息進(jìn)行采集。所有傳感器都采用IIC總線通訊，占用處理器端口資源少，通訊接口簡(jiǎn)單磁阻傳感器HMC5883L采用霍尼韋爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°~2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器.簡(jiǎn)易的I2C系列總線接口。HMC5883L是采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有16引腳，尺寸為3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L采用霍尼韋爾各向異性磁阻(AMR)技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其他磁傳感器技術(shù)所無法企及。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn).傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感行的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯(gauss)?；裟犴f爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器HMC5883L的應(yīng)用領(lǐng)域有手機(jī)、筆記本電腦、消費(fèi)類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。磁阻傳感器HMC5883L磁阻傳感器HMC5883L

6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050MPU6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU6050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、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP:DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫，可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。以數(shù)字輸出6軸或9軸的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(EulerAngleforma)的融合演算數(shù)據(jù)。6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU60506軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050數(shù)字氣壓傳感器BMP085MP085為新一代高精度氣壓傳感器。BMP085的低功耗、低電壓的電學(xué)特性使它可以很好的適用于手機(jī)、PDA、GPS導(dǎo)航器件以及戶外裝備上。BMP085在低的高度噪聲（merely0.25）快速轉(zhuǎn)換的情況下，表現(xiàn)很好。BMP085是基于壓阻效應(yīng)技術(shù)的，具有穩(wěn)定的電磁兼容性、高精度、線性性以及穩(wěn)定性。Bosch公司的氣壓傳感器（在自動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域）是世界市場(chǎng)上的領(lǐng)軍，基于200百萬氣壓傳感器這制造經(jīng)驗(yàn)，BMP085繼續(xù)了新一代的微型氣壓傳感器數(shù)字氣壓傳感器BMP085數(shù)字氣壓傳感器BMP0852、對(duì)外接口

名稱說明+3.3V電源SDA信號(hào)線SCL時(shí)鐘線GND地線3、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm~400cm非接觸式的距離感測(cè)功能，測(cè)距精度達(dá)到3mm。只需要在Trig管腳輸入一個(gè)10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，通過Echo管腳輸出。根據(jù)Echo管腳輸出高電平的持續(xù)時(shí)間可以計(jì)算距離值。即距離值為：(高電平時(shí)間*340m/s)/2。

3、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊3、對(duì)外接口

名稱說明+5V電源GND地TRIG觸發(fā)信號(hào)ECHO回波信號(hào)4、遙控收發(fā)部分四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行人的遠(yuǎn)程遙控，就要求對(duì)它的各種狀態(tài)信息進(jìn)行采集后，通過無線數(shù)傳，發(fā)送到控制臺(tái)，并且控制臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的控制指令控制四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)。NRF24L01特性采用2.4GHz無線模塊NRF24L01，它工作在2.4G全球開放ISM頻段，最大0dBm發(fā)射功率，免許可證使用支持六路通道的數(shù)據(jù)接收低工作電壓：1.9～3.6V低電壓工作高速率：2Mbps，由于空中傳輸時(shí)間很短，極大的降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象（軟件設(shè)置1Mbps或者2Mbps的空中傳輸速率）多頻點(diǎn)：125頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要超小型：內(nèi)置2.4GHz天線，體積小巧，15x29mm（包括天線）低功耗：當(dāng)工作在應(yīng)答模式通信時(shí)，快速的空中傳輸及啟動(dòng)時(shí)間，極大的降低了電流消耗。低應(yīng)用成本：NRF24L01集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分，比如：自動(dòng)重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)等，NRF24L01的SPI接口可以利用單片機(jī)的硬件SPI口連接或用單片機(jī)I/O口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機(jī)。便于開發(fā)：由于鏈路層完全集成在模塊上，非常便于開發(fā)。自動(dòng)重發(fā)功能，自動(dòng)檢測(cè)和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時(shí)間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制自動(dòng)存儲(chǔ)未收到應(yīng)答信號(hào)的數(shù)據(jù)包自動(dòng)應(yīng)答功能，在收到有效數(shù)據(jù)后，模塊自動(dòng)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，須另行編程載波檢測(cè)—固定頻率檢測(cè)內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制數(shù)據(jù)包傳輸錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器及載波檢測(cè)功能可用于跳頻設(shè)置可同時(shí)設(shè)置六路接收通道地址，可有選擇性的打開接收通道標(biāo)準(zhǔn)插針Dip2.54MM間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。NRF24L01無線模塊NRF24L01原理圖4、對(duì)外接口名稱說明+3.3V模塊電源輸入GND接地CENRF24L01模式設(shè)置CSNSPI片選SCKSPI時(shí)鐘MISOSPI主機(jī)輸入從機(jī)輸出端MOSISPI主機(jī)輸出從機(jī)輸入端IRQ可屏蔽中斷5、電源部分電源對(duì)于電子設(shè)備來說是非常重要的，猶如人的心臟一樣，而一個(gè)好的電源是確保系統(tǒng)持續(xù)正常工作的有力保證。四軸飛行系統(tǒng)是由一塊11.1V鋰離子電池提供電源，但系統(tǒng)各部分工作電壓各不相同，為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠提供多種輸出電壓和電流的電路5、電源部分5、對(duì)外接口名稱說明+3.3V傳感器用+5V單片機(jī)用+11.1V旋翼驅(qū)動(dòng)GND地線6、單片機(jī)控制部分C8051F單片機(jī)具有上手快(全兼容8051指令集)、研發(fā)快(開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期)和見效快(調(diào)試手段靈活)的特點(diǎn)本文從四旋翼飛行器的機(jī)型特點(diǎn)和實(shí)際需要出發(fā)，結(jié)合C8051F單片機(jī)的優(yōu)越性能，以C8051F340單片機(jī)為計(jì)算控制單元，設(shè)計(jì)了四旋翼微型飛行器飛行控制系統(tǒng)的硬件C8051F340單片機(jī)特性模擬外設(shè)（包括10位ADC、兩個(gè)比較器、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、上電復(fù)位/掉電檢測(cè)器）USB控制器在片上調(diào)試高速8051微控制器內(nèi)核數(shù)字外設(shè)（40/25個(gè)端口I/O，均耐5V電壓，大灌電流，硬件增強(qiáng)型SPI，SMBus

和1或2個(gè)增強(qiáng)型UART串口，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），有5個(gè)捕捉/比較模塊，外部存儲(chǔ)器接口（EMIF））時(shí)鐘源（內(nèi)部振蕩器：0.25%的精度(時(shí)鐘恢復(fù)被使能時(shí))。支持所有USB和UART工作方式，外部振蕩器：晶體、RC、C、或外部時(shí)鐘（1或2引腳方式），低頻（80KHz）內(nèi)部振蕩器，可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源）這些外設(shè)的高度集成，為設(shè)計(jì)體積小、功耗低、性能好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，可降低系統(tǒng)的整體成本。C8051F340單片機(jī)開發(fā)板C8051F340單片機(jī)原理圖6、對(duì)外接口端口名稱I/O說明端口名稱I/O說明P00P20P01P21P02P22P03P23P04P24P05P25P06P26P07P27P10P30P11P31P12P