基于Multiwii的六轴飞行器设计毕业设计论文.doc
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1、目录第一部分 设计任务与调研21、设计六轴飞行器的主要任务22、设计思路23、设计方法24、飞行器背景25、设计六轴飞行器的目的和总结3第二部分 设计说明41、飞行原理分析42、 硬件设计方案6第三部分 设计成果111、作品特点11第四部分 结束语131、本次设计主要任务13 2、未来前景13第五部分 致谢14第六部分 参考文献1515第一部分 设计任务与调研1、设计六轴飞行器的主要任务本设计要求针对在飞行器上装有三个方向的陀螺仪和三轴加速度的传感器组成惯性导航模块。实现六轴飞行器的定位与姿态控制,后续加装了2.4G无线遥控,来实现远距离控制六轴飞行器。2、设计思路 第一:小型六轴飞行器的硬件
2、电路设计,第二:软件移植以及飞控姿态调参 。 根据设计要求并综合各方面因素,本系统的设计思路是以Multiwii开源系统为核心,设计一种低成本、高效率的六旋翼飞行器。采用MPU6050三轴加速度传感器检测当前飞行姿态,通过PID算法及卡尔曼滤波实现对飞行器的姿态调整,用无线遥控来实现远距离控制飞行器。当飞行姿态发生偏移后通过传感器或遥控器来调整飞行姿态3、设计方法设计初期阶段,通过将模电、数电、单片机、电气自动化控制以及从网上查阅的各种资料,并且在老师的指导下一步步的从原理分析到模型设计,然后把成型的电路板打样并制作出来,最后通过PID调参来调整飞行姿态。4、飞行器背景多旋翼飞行器最早出现于百
3、年前的欧洲,由于其控制算法的复杂性,超过了当时的科技水平,早期的多旋翼飞行器因性能较差和体积庞大而无法实用化,仅仅停留于科研阶段。近年来由于新材料(碳纤维等)、新型微机电(MEMS)传感器以及计算机自动控制算法的不断发展和进步,以六旋翼飞行器为代表的多旋翼飞行器得以在控制技术上取得巨大飞跃,开始迅速实用化产业化。并呈现小型化微型化的趋势,逐步在许多行业薪露头角,进入了人们的生活中。六轴飞行器作为一种有代表性的多旋翼飞行器,具有体积小,重量轻,结构简单、性能可靠、控制灵活、飞行稳定的特点。因为六轴飞行器比起传统直升机更为稳定和简便可靠,几乎不会出现机械结构上的问题,它能够成为非常好的无人机平台,
4、以执行一些目前需要小型飞行器来执行的任务,可以进入一些不易进入的环境之中进行勘察和拍摄等任务,如火山、地震、洪水灾区等。5、设计六轴飞行器的目的和总结本章内容对六轴飞行器的一个总体概括,考虑到与本专业的相结合以及将不同领域的专业融入进来的想法,设计并制造出了六轴飞行器。其目的是为了提高自己的动手能力以及达到对无人飞机这一块领域的进一步研究。从提出方案到执行方案,这之间遇到过很多问题,其一、最小系统方面考虑到MEGA328P是8位的处理器,能否完成复杂的处理工作,其二、720空心杯电机的最大承载量是否在实际载重的范围内,其三、遥控器处理芯片采用的是STC15F2K60S2单片机,输出的是PWM制
5、式的信号,担心飞控处理接收的信号会有所差异。综合以上所述的一些问题总结下来,先前做出一个简单的模型如图1-1所示,然后试飞,看方案可行度如何再进一步改进。图1-1 前期测试产品第二部分 设计说明1、飞行原理分析为设计六轴飞行器,首先得了解四轴飞行器的飞行原理,因为六轴飞行器是在四旋翼基础上增加了两个旋翼,其飞行原理相同,所以本节内容重点分析四轴飞行器的原理如下:1.1 六轴飞行器能飞行的原理六轴飞行器能够克服阻力飞行是运用了空气动力学原理。当六个电机带动螺旋桨转动所产生的风能然后通过螺旋桨叶角度的不同使得六个电机的风是往下吹,根据物理定义,力的作用是相互的,风能施加一个向下的力,就会产生一个向
6、上的推力,当转速达到一定的情况后,飞机克服重力而悬空。 1.2 如何使飞行器完成垂直、俯仰、滚转及偏航运动垂直运动在图2-1中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。 图2-1 垂直运动俯仰运动在图2-2中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机
7、2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转,同理,当电机1的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转。图2-2 俯仰运动滚转运动与图2-2的原理相同,在图2-3中,改变电机2和电机4的转速,保持电机1和电机3的转速不变,则可使机身绕x轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。图2-3 滚转运动偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现如图2-4所示。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩
8、,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图2-4中,当电机1和电机3的转速上升,电机2和电机4的转速下降时,旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机1、电机3的转向相反。图2-4 偏航运动2、 硬件设计方案2.1 组成六轴飞行器所需要的一些基本硬如图2-5所示电调主控芯片电调电调
9、传感器遥控接收电调电调电调 图2-5 硬件部分2.2 硬件设计方案主控芯片: 方案一:采用STC89系列单片机作为主控芯片, 方案二:采用AVR系列芯片作为主控芯片,考虑到AVR系列单片机的开源,以及四路PWM输出口。 方案三:采用STM系列的单片机作为主控芯片。在构思出这三个方案后,结合飞行器的各个方面,最后决定采用AVR系列的MEGA328P作为主控芯片。方案一不足之处在于STC89系列的单片机虽然常用,但是处理速度慢,并且没有可以直接输出PWM口的端口;方案三考虑到STM芯片的价格更高,而且没有深入了解过这款单片机的一些特性。选择MEGA328P芯片,是考虑单片机本身的处理能力能完成本设
10、计要求;其二是考虑到MEGA328P作为主控芯片在实际运用中已经很成熟,已经有很多先辈用此芯片做过四旋翼、六旋翼飞机;其三是MEGA328P芯片自带PWM输出口,刚好可以作为控制电机的信号。传感器: 方案一:采用ADXL345作为飞行姿态检测。 方案二:采用MPU6050模块作为飞行姿态检测。选择方案二是因为MPU6050是具有三轴加速度和三轴角速度,而ADXL345只有三轴加速度,而本设计中,不仅要完成方向前、后、左、右,还有一个最重要功能是绕着Z轴做匀速转动时,有了角速度,就可以根据三个轴的角度来判断模块是否在绕一个轴做自转,所以选择了MPU6050模块。无线通讯: 方案一:采用自制12通
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