四旋翼设计报告

四旋翼自主飞行器(A题)摘要四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支，随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高，四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。为了满足四旋翼飞行的设计要求，系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心，处理器内核为ARM32位Cortex-M3CPU，最高72MHz工作频率，工作电压3.3V-5.5V。该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块，整合3轴陀螺仪、3轴加速度计，检测飞行器实时飞行姿态，实现飞行器运动速度和转向的精准控制。传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块，在动力学模型的基础上，将四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。关键词：四旋翼飞行器；STM32；飞行姿态控制；串口PID目录1系统方案论证与控制方案的选择...................................................................-2-1.1地面黑线检测传感器...................................................................................-2-1.2电机的选择与论证.......................................................................................-2-1.3电机驱动方案的选择与论证.......................................................................-2-2四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................-3-2.1四旋翼飞行器动力学模型...........................................................................-3-2.2PID控制算法结构分析...............................................................................-3-3硬件电路设计与实现.....................................................................................-4-3.1飞行控制电路设计......................................................................................-5-3.2电源模块......................................................................................................-5-3.3电机驱动模块...............................................................................................-5-3.4传感器检测模块...........................................................................................-5-4系统的程序设计...............................................................................................-5-5测试与结果分析...............................................................................................-6-5.1测试设计.......................................................................................................-6-5.2测试结果.......................................................................................................-6-6总结....................................................................................................................-6-1系统方案论证与控制方案的选择根据题目要求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的比较。1.1地面黑线检测传感器测地面黑线的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白色地面对光的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑线。可实现的方案有：方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高高度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。方案二：红外避障传感器E18-D80NK。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80厘米距离。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。并且具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。比较以上二种方案，方案二占有很大优势，不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此选择方案二。1.2电机的选择与论证四旋翼无人飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行器的飞行姿态和位置，与传统直升机通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，达到控制直升机的目的不同。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。方案一：直流有刷电机是当前普遍使用的一种直流电机，它的驱动电路简单、控制方法成熟，但是直流有刷电机使用电刷进行换向，换向时电刷与线圈触电存在机械接触，电机长时间高速转动使极易因磨损导致电气接触不良等问题，而且有刷电机效率低、力矩小、重量大，不适合对功率重量比敏感的电动小型飞行器。方案二：直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法，消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同时增强了电机的可靠性。所以选择直流无刷电机作为动力源。1.3电机驱动方案的选择与论证方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三:采用全桥驱动PWM电路。这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状态，提高使用效率实现电机转速的微调。并且保证了可以简单的方式实现方向控制。基于上述理论分析，选择方案三。2四旋翼自主飞行器控制算法设计2.1四旋翼飞行器动力学模型设计的小型四旋翼飞行器适用于室内低速飞行，因此忽略空气阻力的影响。因此，简化后的飞行器动力学模型为:式中[xyz]T为四旋翼飞行器在导航坐标系下的线位移，[xyz]T为运动加速度，m为飞行器质量,θ,Φ,φ,分别为机体的偏航角、俯仰角和横滚角，l为旋翼面中心到四旋翼飞行器质心的距离，IX，IY，IZ为轴向惯性主矩。该动力学模型对四旋翼飞行器的真实飞行状态进行了合理的简化，忽略了空气阻力等对系统运行影响较小的参数，使得飞行控制算法更加简洁。2.2PID控制算法结构分析在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。算法结构如图B-1所示使用经典PID控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。PID算法简单可靠，理论体系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解。串级PID：采用的角度P和角速度PID的双闭环PID算法------角度的误差被作为期望输入到角速度控制器中（角度的微分就是角速度）对于本系统则采用了将角度控制与角速度控制级联的方式组成整个串级PID控制器。串级PID算法中，角速度内环占着极为重要的地位。在对四旋翼飞行的物理模型进行分析后，可以知道造成系统不稳定的物理表现之一就是不稳定的角速度。因此，若能够直接对系统的角速度进行较好的闭环控制，必然会改善系统的动态特性及其稳定性，通常也把角速度内环称为增稳环节。而角度外环的作用则体现在对四旋翼飞行器的姿态角的精确控制。外环：输入为角度,输出为角速度内环：输入为角速度，输出为PWM增量使用串级pid，分为：角度环控制pid环，和角速度控制环稳定环。主调为角度环（外环），副调为角速度环（内环）。参数整定原则为先内后外，故在整定内环时将外环的PID均设为0所谓外环就是只是一个P在起作用，也就是比例在起作用；P也就是修正力度，越大越容易使飞机震荡。震荡的特点是：频率小、幅度大控制回路包含了x,y,z三个控制量，因此设计3个独立的PID控制器对位移进行控制。根据PID控制器的原理，设kp，ki，kd分别为比例项、积分项和微分项系数，有其中，xd，yd，zd为航姿参考系统测量到的加速度积分得到的位移量。姿态控制回路的作用是控制四旋翼飞行器的飞行姿态，使其实际姿态与设定的姿态一致。姿态控制回路有偏航角、俯仰角和横滚角三个控制量，在此忽略三个通道之间的耦合效应，设计3个独立的PID控制器对每个量进行独立控制。根据PID控制器的原理，设kp，ki，kd分别为比例项、积分项和微分项系数，有控制器方程如B-4。其中比例项系数为3.3积分项系数为0.14微分项系数为3.23硬件电路设计与实现系统以STM32F103VET6单片机最小系统板为核心，主要包括电源模块、电机驱动模块、飞行控制模块、传感器检测等功能模块，该系统硬件结构框图如图2-2所示。3.1飞行控制电路设计飞行控制模块是控制系统的核心部分。它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。3.2电源模块电源由一块11.1V1200am的锂电池（重量约为166克）供电，在由电调降压给系统中的各个模块供5v电压并给电机提供电流，这样可满足可满足各个小系统的电源要求。3.3电机驱动模块四电机驱动模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给飞行姿态控制模块，控制无刷直流电机闭环控制转速，从而控制飞行状态，达到预期位置和姿态。通过电子调速器给电机提供电流.3.4传感器检测模块传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身MPU-6050整合3轴陀螺仪、3轴加速度计