四旋翼飞行器论文

2013全国电子设计大赛瑞萨杯2013年全国大学生电子设计竞赛四旋翼自主飞行器（B题）【1B21221004组】2013年9月7日1四旋翼自主飞行器（B题）摘要四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式遥控自主飞行器。它在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其特殊的机械结构与飞行动力学特性，在科技研究应用中有着重要意义。四旋翼飞行器不仅为先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器人智能控制，三维路径规划，多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。本文主要介绍了在瑞萨单片机基础之上的四旋翼飞行器的自动控制系统，主要利用了超声波测距,陀螺仪和光电传感器来检测周围的地理环境，通过电调给各旋翼的电机通电，采用PWM调节各旋翼的转速，通过PID算法从而使飞行器自主做出既定的飞行状态，从而完成既定的航线和相应的任务。关键词：瑞萨超声波测距模块陀螺仪PWM调速PID算法2目录一、摘要........................................................................................................................1二、目录........................................................................................................................2三、系统设计................................................................................................................31.设计要求..........................................................................................................32.整体设计思路..................................................................................................33.方案论证与比较..............................................................................................44.系统各模块的最终方案..................................................................................5四、控制算法与单元电路的设计................................................................................71.控制算法..........................................................................................................72.超声波测距的电路设计................................................................................113.陀螺仪的电路设计........................................................................................11五、软件设计..............................................................................................................121.子程序的程序流程图......................................................................................122.系统主程序流程图..........................................................................................14六、系统测试..............................................................................................................141.测试指标与测试方案......................................................................................142.测试分析与实现的功能..................................................................................16总结..............................................................................................................................17参考文献......................................................................................................................18附录..............................................................................................................................193三、系统设计1.设计要求（1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器）一键式启动可以在A和B两地按指定要求往返飞行；飞行时间不大于45s。（2）在A地一键式启动飞行器起飞；拾取薄铁片，并且按指定的要求完成相应的航线，在B区将薄铁片扔下，再返回A区停机；飞行时间不大于30s。（3）其余可以任意发挥。2.总体设计思路（1）根据题目的要求，飞行器要想起飞必须有相应的驱动和稳定的动力，及四个旋翼的位置也是有相应的要求；所以我们组就确定了用充电的锂电池（电压为11.1V），再通过电调来给旋翼的电机供电；且四个旋翼的位置也通过相应的资料择优确定下来。（2）要想确定飞行器的飞行状态，它的飞行高度必须时时被检测出来，以确定它是否符合飞行要求；所以就必须运用测距装置进行距离的时时检测，通过软件进行反馈，从而自动完成相应的起降。（3）飞行器在飞行时必备的器件就是陀螺仪了，它可以时时检测飞行器的稳定性和平衡性，以使飞行器不致由于一点的倾斜而偏离航线，甚至坠机的危险。（4）因为题目的要求是在固定的地点起飞，且航线（地面上的黑线航行）也有一定的要求，所以就必须用到类似于循迹的传感器。（5）当四旋翼处于水平位置时，在垂直方向上，惯性坐标系同机体坐标系重合。同时增加或减小四个旋翼的螺旋桨转速，四个旋翼产生的升力使得机体上升或下降，从而实现爬升和下降。悬停时，保持四个旋翼的螺旋桨转速相等，并且保证产生的合推力与重力相平衡，使四旋翼在某一高度处于相对静止状态，各姿态角为零。垂直飞行控制的关键是要稳定四个旋翼的螺旋桨转速，使其变化一致。所以就必须用四通道的PWM调速来实现飞行器的飞行要求。4（6）因为题目还有其余的发挥部分，所以我们组就在飞行器起飞时用拍手开关来控制，一声拍手声便可以起飞。（7）综上所述，再将各个元件组合起来，共同用瑞萨的单片机进行自动控制，从而完成题目的要求。3.方案论证与比较总体方案的论证：(1)我们知道导弹有的是可以锁定目标之后进行追踪的，它的原理就是利用的图像追踪，一开始按既定的航线进行飞行，之后就不停的去寻找图像，然后与设置的图像进行匹配，用的是比较高端的A/D转换的装置，如果选用类似于那种装置的话，那么一个就够了，可以设置不同阶段的图像，就能够完成既定的任务。但是要知道那种高端的导弹导引头是价格不菲的，所以这种方案就被pass掉了。(2)为了着重考虑到设备的经济性的因素，于是我们选择了一些功能都比较单一的元器件来共同实现想要达到的各种功能，比如循迹的话就应该用循迹的传感器，如果要控制飞行的高度的话就应该用测距的传感器，但陀螺仪是一般的飞行器都必须用的。根据我们组的设计思路，我们进行了一些元器件的比较：（1）单片机必须使用瑞萨的，这个基本已经确定。（2）测距的传感器有很多的型号。例如：激光测中传感器、雷达测距传感器、红外线测距传感器等。1.超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点；2.光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离，激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快；3.红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原5理，进行障碍物远近的检测，红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。综上，激光的传感器时间太短，计算时一点的误差就会差别很大，不宜选用；红外的传感器可能有光线对循迹模块有影响，不宜选用。于是，通过众多的比较超声波受外界的影响是最小的，并且软件的程序比较简单。（3）陀螺仪的种类也很多。1.二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)、速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩)、无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)；除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。2.三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。通过比较与论证我们就选择了既可以显示角度的又可以显示角加速度的型号为MPU6050的陀螺仪。（4）循迹的传感器种类也是相当的多，有什么感应型的，但是很多传感器的感应距离都不是太远，毕竟是飞行器在循迹，所以我们组选择光电感应的传感器，这种传感器不仅感应的距离远，并且，还是比较灵敏的。4.系统各模块的最终方案通过论证和比较我们得出了，系统各个模块的最终方案的选择。各个元器件的选择如下图所示：6图3.1机架的整体的构造图（KK板改装）图3.2超声波的型号是HC-SR04图3.3陀螺仪的型号是MPU60507四、控制算法和单元电路的设计1.控制算法（１）PID控制是迄今为止最通用的控制方法，简单的说就是按偏差的比例、积分、微分进行的控制。尽管许多采用现代控制技术和方法的控制器不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作仍被广泛应用。特别由于该控制器的结