小型电动四轴飞行器设计毕业设计论文.doc
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1、目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 前言11.2 本课题研究意义11.3 国内外研究成果21.4 本课题主要研究内容21.4.1 研究主要内容21.4.2 研究方案31.5 系统设计框图3第2章 四轴飞行器硬件组成52.1 DIY四轴飞行器介绍52.1.1 四轴飞行器52.1.2 DIY操作52.2 部分器件的作用介绍62.2.1 无刷直流电机62.2.2 电子调速器6第3章 姿态传感器介绍73.1 三轴加速度计73.1.1 传感器原理73.1.2 ADXL34583.2 三轴陀螺仪93.2.1 概述93.2.2 传感器原理93.2.3 ITG-3200103.3 三轴磁场
2、传感器103.3.1 传感器原理113.4 本章小结11第4章 飞行器模型分析134.1 概述134.1.1 飞行器飞行原理134.1.2 四轴飞行器模型建立办法134.2 力或力矩与螺旋桨的关系144.2.1 升力和扭矩关系144.2.2 阻力和侧向力矩的关系154.2.3 的建立16第5章 算法设计195.1 悬停控制算法设计195.1.1 悬停算法分析195.1.2 PID算法选择分析205.1.3 PID三个参数的大小对于响应波形的影响215.1.4 模糊控制规则的建立215.1.5 模糊控制表的建立225.1.6 小结225.2 运动算法设计225.2.1 运动时和悬停时的差别225
3、.2.2 Z轴旋转解决办法设计235.2.3 固定倾斜解决办法235.2.4 控制算法小结245.3 九轴数据的融合算法245.3.1 关于数据融合必要性的分析245.3.2 加速度计与陀螺仪的数据融合25第6章 程序设计276.1 程序设计思想276.1.1 程序方案276.2 串口接收数据并重装276.2.1 概述276.2.2 程序设计276.3 PID算法程序286.4 电调PWM信号28总结30论文小结31致 谢32参考文献33附录一:34附录二:412015届电气工程与自动化专业毕业设计(论文)摘 要今年来航模界的目光已经从固定轴飞行器转移到了多旋翼飞行器的设计上。多旋翼飞行器和喷
4、气式飞机几乎在同一时间诞生,但在过去的百年中极少有目光投向它的原因就是因为它的控制、操作非常复杂,因为其方向的偏转等操作都依靠不同电机不同转速配合形成,高度的非线性和其系统极差的鲁棒性注定了在它诞生之初就无人问津。直到高精度的三轴加速度计和陀螺仪的出现,以及继而为之引入的卡尔曼滤波原理让多旋翼的姿态实时监测成为可能,有了姿态精确监测又配合采用各种控制算法以及高效能的微处理器,多旋翼的控制才成为了可能。又由于它本身兼有可以灵活应对各种复杂飞行环境的特点(其它飞行器只能望其项背),迅速成为飞行器的焦点。本文主要介绍利用MSP430G2553单片机的LaunchPad和由AVR为主控芯片的9轴姿态结
5、算传感器搭建的四旋翼的飞控设计。从其模型建立、传感器数据处理、算法设计和软件实现四个方面的研究制作可定目标的四轴飞行器。关键词:MSP430,卡尔曼滤波,姿态结算,控制算法IABSTRACTThis year the attention has shifted from the model aircraft industry to a fixed shaft multi-rotor aircraft design. Multi-rotor aircraft and jets born almost at the same time, But in the past few hundred ye
6、ars has its sights reason is because of its control, Operation is very complex, Because of its direction of deflection and other operations depend on the formation of different motors with different speed, Highly nonlinear systems and its poor robustness doomed at the beginning it was born nobody ca
7、res.Until precision triaxial accelerometers and gyroscopes appeared, And Kalman filtering principle whom subsequently introduced allows real-time monitoring of multi-rotor attitude possible, With attitude to accurately monitor and coordinate the use of various control algorithms and high-performance
8、 microprocessors, Multi-rotor control became possible. Also, because it is itself the characteristics of both can respond flexibly to a variety of complex flight environment(Other aircraft can hold a candle). Quickly became the point of intersection of the aircraft. This paper describes the use MSP4
9、30G2553 MCU LaunchPad and 9-axis attitude sensor settlement by the AVR for the master chip to build a four-rotor flight control design. Its model, sensor data processing, algorithm design, and software realization of the four aspects of the research could be set goal of making four-axis aircraft.KEY
10、WORDS: MSP430, Kalman filtering, attitude billing, control algorithm31第1章 绪论1.1 前言四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及,四轴飞行器成为航模界的新锐力量。到今天,四轴飞行器已经应用到各个领域,如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等,已经成为重要的遥感平台。以农业调查为例,传统的调查方式为到现场抽样调查或用航空航天遥感。抽样的方式工作量大,而且准确性受主观因素影响;而遥感的方式可以大范围同时调查,时效性和准确性都
11、有保证,但只能得到大型作物的宏观的指标,而且成本很高。不连续的地块、小种作物等很难用上遥感调查。因此,低空低成本遥感技术显得相当重要,而四轴飞行器正符合低空低成本遥感平台的要求。目前应用广泛的飞行器有:固定翼飞行器和单轴的直升机。与固定翼飞行器相比,四轴飞行器机动性好,动作灵活,可以垂直起飞降落和悬停,缺点是续航时间短得多、飞行速度不快;而与单轴直升机比,四轴飞行器的机械简单,无需尾桨抵消反力矩,成本低。本文就小型电动四轴飞行器,介绍四轴飞行器控制设计原理和方案,重点讲解MEMS惯性传感器的数据处理,以及四轴飞行器算法设计等。 1.2 本课题研究意义 四轴飞行器除了能做到和直升飞机一样垂直起降
12、外,因其由四个螺旋桨控制,所以还能实现6个自由度的不同姿态飞行。相比较而言,四轴飞行器更加灵活,可以实现在复杂环境下稳定飞行。研究它并实现控制可以让其帮助实现禁飞区巡逻等军事任务,同时也可以用于搜救、安全任务检查等工作。现如今,在许多危险场所,以至于工作人员不能进入进行设备状态检查,例如大型化工锅炉、高压输电塔、水坝等。为了满足需要,使用无人机进入此类地区航拍、成图、预处理报警成为必然。四轴飞行器以其完备的性能和成本,成为完成此类任务的不二之选。因此研究它的价值显而易见。1.3 国内外研究成果四轴飞行器始诞于1907年的法国,它诞生之初功能及其有限,而且控制复杂,起飞难度大,所以在曾经鲜为人知
13、。随着嵌入式系统的发展以及传感器技术的应用,四轴飞行器开始走向小型化,智能化的过程。2003年美国率先开始微型无人机的研究,四旋翼逐渐进入人们的视线。众人皆知,四旋翼的机械结构简单但由于只有四个输出控制六个自由度,属于典型的“欠驱动”系统,并且具有强耦合、非线性、干扰敏感等,控制难度大。20世纪90年代,MEMS惯性导航系统的诞生以及相关算法的研究,四旋翼迎来了春天。高性能的微处理器再加上MEMS和对应控制算法解决了四旋翼的控制难题。在那之后至今,国内外对于四旋翼的研究就趋于成熟,人们已经用它办到了很多事,例如航拍、勘测、送传递。但是比较四旋翼和固定翼的性能,不难发现,四旋翼非线性度高,抗干扰
14、能力弱。而最致命的在于四旋翼的载重问题和续航问题一直无法解决。而从目前看来,解决的办法已经不是四旋翼本身,而是研究出带电量大,体积小,重量轻的电池提供能源。1.4 本课题主要研究内容1.4.1 研究主要内容主要研究包括三部分:四旋翼的动力学模型建立和分析、传感器的数据处理以及控制算法的研究。四旋翼机械模型主要是十字型机架和螺旋桨构成。在研究中,借助空气动力学知识等分析建立转速和升力、扭矩、阻力(斜流状态)等的直接关系,分析出了受力后再结合姿态分析得到,在各个姿态下的转速结构以及姿态转换的转速变化办法等。在此基础上,再根据直流无刷电机的模型以及电调的分析获得在一般状态(螺旋桨旋转只受空气影响的状
15、态)下PWM波形和转速的关系,也就是建立了占空比和各个受力的直接对应关系。这只是一个基础模型,在一般状态下提供在控制算法中的给定值设定的参考,也是飞行器在一般飞行条件下对于姿态变化要求的占空比改变值的基础。获得了相关信息后,除了飞行器高度控制用超声波传感器测量获得外,还必须对于飞行器的目前姿态做测量组成闭环系统,而姿态测量的传感器选择使用陀螺仪,它以在不同倾斜状态下对于四壁压力的不同感知姿态信息,但是由于在飞行器上,有抖动,变化速度快,其输出波形干扰严重,目前大多采用卡尔曼滤波的软件滤波办法滤波。除此之外,研究内容中还包括对于飞行器控制算法的选择,拟定采用双PID控制和神经元算法两种。1.4.
16、2 研究方案四旋翼的动力结果主要由电子调速器、直流无刷电机和螺旋桨构成。模型分析主要涉及空气动力学、无刷电机模型和电子调速器硬件电路。实施方案:利用空气动力学建立螺旋桨转速和拉升力之间的关系,在利用无刷电机模型和螺旋桨建立输出波形和转速的关系并最终得出PWM波和拉升力的直接对应关系。陀螺仪的主要功能在于传感三个轴向上的角度和加速度,利用四元数法以及卡尔曼滤波分析获得滤波之后的陀螺仪数据也就是姿态数据,为控制模块给出当前姿态信息。控制算法拟采用双PID环或BP神经元网络或模糊算法。实施方案:做成实物之后,用三种不同的控制算法编程,拟采用MSP430微处理器。调试之后得出三种不同算法的优缺点以供参
17、考。1.5 系统设计框图对于四轴飞行器来说,其中最重要的组成部分就是机架、无刷电机、电子调速器(下文简称电调)、飞控芯片四个部分。机架用于支撑,无刷电机用于驱动螺旋桨旋转产生力。而因为所提供的电源是直流电源,无刷直流电机虽然是直流但实际输入是三相电,电机转速随三相电频率变化而变化,所以在电源和电机之间需要一个部件来转换电能和控制转速,这就是电子调速器的作用。飞控芯片作为本设计最主要的部分,主要功能是传感姿态、计算补偿来控制飞行器的稳定。具体框图如下:第2章 四轴飞行器硬件组成2.1 DIY四轴飞行器介绍2.1.1 四轴飞行器四轴飞行器,又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机,简称四轴、四旋翼。这四轴飞
18、行器(Quadrotor)是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构,十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力,从而调整自身姿态。2.1.2 DIY操作DIY四轴飞行器需要材料包括:两组正反螺旋桨、四个直流无刷电机、四个匹配电机的电子调速器、机架、直流电池适配器、电池和飞控(可自己制作)。在本设计中,采用新西达A2212/13T 1000KV的无刷电机,由12V直流电池供电;选择XRotor(乐天)系列20A电子调速器;F450机架。首先将四个电调首先焊接到F450的机架上的焊盘上,同时焊接电池接线的母头。焊接好后按F450机架结构组装好飞行器。把电调固定在
19、机架的四臂上后插上电机和电调连接的香蕉头完成组装整体。最后在电机轴上安装子弹头夹紧螺旋桨完成整体。组成后的飞行器如下图所示:图2.1 DIY四轴飞行器实物图注意:对角线上安装的螺旋桨的形状要一致。电调的信号线和自制飞控的输出管脚连接即可。2.2 部分器件的作用介绍2.2.1 无刷直流电机电机是拖动螺旋桨旋转产生动力的装置。对于直流无刷电机而言,虽然也称为直流电机,但是实际获得的电源是三相交流电,但并非接受正弦变化的电压信息,起转动原理类似步进电机。所以采用直流电源输出各相脉冲使其旋转。对于无刷电机而言,最重要的参数就是KV(并不是千伏的意义),它表示电压每增加1伏时,转速增加的值。2.2.2
20、电子调速器电子调速器简称电调。是电机的驱动元件,它有三个端口,一个连接电池获得电能,一个连接电机用于驱动电机,最后一个是信号线,兼容TTL电平,接收控制机的控制信号。在实际过程中,检测高电平宽度,有效信号为1-2ms的高电平长度。根据持续时间输出不同的电压使电机的转速不同。第3章 姿态传感器介绍3.1 三轴加速度计3.1.1 传感器原理对于加速度的测量,传统的方式是在传感器内部放置一个质量已知且恒定的物体,用于感知惯性系统的加速度,其物体和某一直线方向的弹簧连接,当有该轴加速度产生时,物体施力于弹簧(弹簧和外壳连接,外壳和被测物直接连接固定),产生拉升或挤压,记录此时的弹性形变量就能知道外力再
21、通过牛顿第二定律就能分析获得当前的加速度。目前所使用的加速度计中,测量的办法很有多种,大体分为:闭环液浮摆式、挠性摆式、振弦式和摆式积分陀螺四种。对于闭环液浮摆式来说,与传统的加速度测量原理比较,首先它是感知对应轴的旋转信息,其次它的信息输出依据来源于闭环设计。当仪表壳体发生旋转时(依据牛顿第二定律,物体运行状态的改变必然要有力的作用),由角度感测元件测量变松旋转信息,并闭环控制一个力矩器输出抵抗力矩直到角度稳定不再变动时,将输入给力矩器的电压信号作为加速度计的信号输出。从原理上将,它是将原设立原理:弹性形变量的改变引发电气信号而输出的道理改变为用闭环结构让一个设计的的执行器抵消外部力矩,用起
22、给电电压作为等效输出信号。对于挠性摆式来说,它的测量办法和闭环液浮摆式基本相同,只是闭环的感知办法所用的材料不同,因为想要测量直线加速度,它引用挠性杆的输出轴刚性低,其他轴向刚性高的道理,用之感受输出轴的直线加速度引起的挤压,并用其他设备闭环控制保持内置重物的位置不变。将执行设备的电压作为等效电压并输出即可。而振弦式的原理更为简单,利用弦线在不同张力时的振荡频率不同设计,以弦线承受外部加速度带来的引力,通过拉升改变弦线的张力,从而引起振荡频率的变化,所以频率和加速度成正比关系。继而只要在外部接入频率计,就可以知道此时的加速度。在实际应用中,一般还加入一条补偿所用的弦线,因为热冷效应,张力也会随
23、温度的变化而变化,加入另一条弦线补偿温度影响,做差模输出就可。摆式积分陀螺原理就是和陀螺仪的原理一样,在受到外部接连物的旋转变化时,自己跟随转动,制作加速度计时让转子固定不动,形成摆,其他设计原理与闭环液浮摆式一样。在本系统中采用集成式,直接数字输出加速度计ADXL345。该传感器为多晶硅表面微加工结构,置于晶圆顶部。由于应用加速度,多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上,提供力量阻力。差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成,能对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡,从而传感器输出的幅度与加速度成正比。其基本工作原理和闭环液浮摆式不同在于,并不增加执行机构抵消外部惯性力,而是直接
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