多旋翼自主飛行器報告(C題)

選題編號：C題全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告選題名稱：多旋翼自主飛行器主辦單位：遼寧省教育廳比賽時間：201*年*月*日08時起201*年*月*日20時止摘要多旋翼飛行器也稱為多旋翼直升機，是一種有多個螺旋槳的飛行器。本設(shè)計實現(xiàn)基于ATMEGA328P和R5F100LEA的四旋翼飛行器。本飛行器由飛行控制模塊、導(dǎo)航模塊、電源模塊和航拍攜物模塊等四部分組成。主控模塊采用ATMEGA328P芯片，負責(zé)飛行姿態(tài)控制；導(dǎo)航模塊以G13MCU為核心，由陀螺儀、聲波測距等幾部分構(gòu)成，該模塊經(jīng)過瑞薩芯片處理采集的數(shù)據(jù)，用PID控制算法對數(shù)據(jù)進行處理，同時解算出相應(yīng)電機需要的PWM增減量，及時調(diào)整電機，調(diào)整飛行姿態(tài)，使飛行器的飛行更加穩(wěn)定；電源模塊負責(zé)提供持續(xù)穩(wěn)定電流；航拍攜物模塊由攝像頭、電磁鐵等構(gòu)成，負責(zé)完成比賽相應(yīng)動作。飛行器測試穩(wěn)定，實現(xiàn)了飛行器運動速度和轉(zhuǎn)向的精準控制，能夠完成航拍，觸高報警，攜物飛行，空中投遞等動作要求。關(guān)鍵詞：四旋翼，PID控制，瑞薩目錄摘要 ii1.題意分析 12.系統(tǒng)方案 12.1飛行控制模塊方案選擇 12.2飛行數(shù)據(jù)處理方案選擇 12.3電源模塊方案選擇 22.4總體方案描述 23.設(shè)計與論證 23.1飛行控制方法 23.2PID控制算法 33.3建模參數(shù)計算 33.4建立坐標(biāo)軸計算 44.電路設(shè)計 54.1系統(tǒng)組成及原理框圖 54.2系統(tǒng)電路圖 55.程序設(shè)計 65.1主程序思路圖 65.2PID算法流程圖 75.3系統(tǒng)軟件 76.測試方案 76.1硬件測試 76.2軟件仿真測試 76.3測試條件 86.4軟硬件聯(lián)調(diào) 87.測試結(jié)果及分析 87.1測試結(jié)果 87.2結(jié)果分析 98.參考文獻 91.題意分析設(shè)計并制作一架帶航拍功能的多旋翼自主飛行器。飛行高度30CM以上，實現(xiàn)直線航拍、矩形飛行、高度報警、攜物飛行、空中投遞、尋找目標(biāo)等功能。根據(jù)題意，我們計劃設(shè)計一個四旋翼自主飛行器，通過攝像頭，電磁鐵，聲波測距等實現(xiàn)以上目標(biāo)。2.系統(tǒng)方案2.1飛行控制模塊方案選擇方案一：飛行控制模塊使用pcduino板為控制核心。其內(nèi)存大而且板子體積較小，重量較輕，符合飛行控制的實時性并有效降低飛行器自重。但pcduino板對電源的要求較高，而且I/O口較少，不能很好的擴展飛行器其他功能。方案二：飛行控制模塊采用ATMEGA328P的芯片。ATMEGA328P的板子I/O口很多，自帶定時器和多路PWM，可以實現(xiàn)的功能較多，符合實驗要求。ATMEGA328P迷你板在體積和重量上也不是很大，對飛行器的載重量負擔(dān)不大。綜合對比兩個方案，飛行控制模塊采用ATMEGA328P更能滿足我們的需求，其存在的弊端對整個裝置影響較小，所以采用飛行控制模塊采用第二種方案。2.2飛行數(shù)據(jù)處理方案選擇方案一：采用RL78/G13MCU板R5F100LEA芯片進行飛行數(shù)據(jù)處理，陀螺儀采用光纖陀螺儀。特點是光傳播路徑的變化，決定敏感元件的角位移。光纖陀螺儀壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，但是成本較高，反應(yīng)動作較快不好控制，需要多次試驗。方案二：采用RL78/G13MCU板R5F100LEA芯片進行飛行數(shù)據(jù)處理陀螺儀采用MPU6050三軸陀螺儀。其可以在同一時間內(nèi)測量三個不同方向的加速度、角速度、角度，具有可靠性很好、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和體積小等特點，但是其輸出數(shù)據(jù)需要大量的浮點預(yù)算才能保證較高的精度，可能會影響數(shù)據(jù)處理芯片的響應(yīng)速度。綜合對比上述兩種方案，方案一，控制困難，多次試驗對飛行器機身結(jié)構(gòu)骨架破壞較大，如多次更換修理不利于飛行器調(diào)試。而方案二，雖然會產(chǎn)生大量的浮點預(yù)算，但考慮到R5F100LEA芯片運算能力強，陀螺儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理對R5F100LEA芯片響應(yīng)速度影響不大。故飛行數(shù)據(jù)處理采用方案二。2.3電源模塊方案選擇方案一：采用元器件2596為開關(guān)穩(wěn)壓芯片，toshiba采用L298N電機驅(qū)動模塊，其穩(wěn)壓芯片效率高，不容易發(fā)熱，但輸出的紋波較大，L298N電機驅(qū)動模塊驅(qū)動效果不佳，使電機轉(zhuǎn)速較低。方案二：采用線性元器件2940構(gòu)成穩(wěn)壓電路，采用場效應(yīng)管9926B芯片組成電機驅(qū)動模塊。其輸出紋波小，效率高，不容易發(fā)熱，綜合性能高。驅(qū)動能力強。綜合上述兩種方案，方案二綜合性較強，總體符合設(shè)計要求，電源模塊選擇方案二。2.4總體方案描述四旋翼自主飛行器設(shè)計由飛行控制模塊、導(dǎo)航模塊、電源模塊和航拍攜物模塊等四部分組成，外形結(jié)構(gòu)由固定的剛性十字交叉骨架和四個分別固定在展臂末端的電機構(gòu)成，各模塊均放置在飛行器十字型骨架中心。飛行控模塊采用ATMEGA328P芯片，主要負責(zé)四個電機的控制；導(dǎo)航模塊以G13MCU核心，由陀螺儀、聲波測距等構(gòu)成，工作中該模塊收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過瑞薩芯片處理后輸出，發(fā)送給飛行控制芯片調(diào)整飛行姿態(tài)；電源模塊負責(zé)為整個系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定電流；航拍攜物模塊由攝像頭、電磁鐵等構(gòu)成，主要負責(zé)完成比賽的相應(yīng)要求。3.設(shè)計與論證3.1飛行控制方法四旋翼飛行器依靠四個電機的轉(zhuǎn)速差進行控制，基本動作原理為：電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，兩個正螺旋槳產(chǎn)生升力，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個反螺旋槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機和螺旋槳使其各自對機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消，保證四個電機轉(zhuǎn)速一致，機身不發(fā)生轉(zhuǎn)動。運動示意如圖1所示。圖1四旋翼飛行器前/后、左/右、上/下運動示意圖電機1和電機4轉(zhuǎn)速減小/增大，同時電機2和3轉(zhuǎn)速增大/減小，產(chǎn)生向前/后方向的運動。電機1和2轉(zhuǎn)速減小/增大，同時電機3和4轉(zhuǎn)速增大/減小，產(chǎn)生向左/右方向的運動。四個電機轉(zhuǎn)速同時增大/減小產(chǎn)生向上/向下的運動。3.2PID控制算法PID控制即將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制。通過人為引入四個控制量(U1，U2，U3，U4),從而把非線性耦合模型解耦為四個獨立的控制通道,四旋翼直升機系統(tǒng)可以被描述為由角運動和平移運動這兩個子系統(tǒng)組成,角運動影響平移運動,而平移運動則不影響角運動?？刂葡到y(tǒng)主要包含兩個控制回路:一個是飛行器姿態(tài)控制回路,另一個是飛行器位置控制回路。由于姿態(tài)運動模態(tài)的頻帶寬,運動速率快,所以姿態(tài)控制回路作為內(nèi)回路進行設(shè)計;而位置運動模態(tài)的頻帶窄,運動速度慢,所以位置控制回路作為外回路進行設(shè)計。位置控制回路的控制指令預(yù)先設(shè)置或者由導(dǎo)航系統(tǒng)實時產(chǎn)生。位置控制回路使飛行器能夠懸停在指定位置或者按照設(shè)定好的軌跡飛行。姿態(tài)控制回路使四旋翼飛行器保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，如圖2所示。若兩個控制回路同時產(chǎn)生控制信號則四個旋翼的轉(zhuǎn)速分別作相應(yīng)的調(diào)整,使得四旋翼飛行器能夠按照指令穩(wěn)定飛行。圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3建模參數(shù)計算建立飛行器建立一個非線性模型，由于作用到飛行器上的合力和合力矩是四個螺旋槳所產(chǎn)生的力與力矩的矢量和，之間存在極大地交叉耦合特性。不考慮或忽略交叉耦合以及對單個螺旋槳的力與力矩的影響，把飛行器建模為集總系統(tǒng),并假定四個螺旋漿的軸線都與機體平面嚴格垂直。定義推力FB為四個旋翼升力（1）的總和，因此，在機體坐標(biāo)系中表示的拉力FB=[00T]T。如式（1（1）（2）地面坐標(biāo)系下，機體的受力情況如式（2）（2）（3）由牛頓第二定律可知，三個方向的運動方程，根據(jù)歐拉方程，可以獲得機體的角度運動方程，忽略空氣阻力，自定義四旋翼直升機的四個輸入量。聯(lián)立兩個方程可得飛機運動方程式（3（3）（4）進行多次線性化處理，獲得簡化的線性模型，如式（4（4）3.4建立坐標(biāo)軸計算根據(jù)動力學(xué)模型建立機體坐標(biāo)系B(oxyz)和地面坐標(biāo)系E(OXYZ)兩個坐標(biāo)系如圖3所示。圖3機體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系機體坐標(biāo)系原點o取在四旋翼飛行器的重心上，x軸在飛機對稱平面內(nèi)并平行于飛行器的縱軸線；y軸垂直于飛機對稱平面平行于左右旋翼的連線指向機身左方，z軸分別與x軸y軸垂直并指向機身上方。地面坐標(biāo)系原點在地面上選任意點O，作四旋翼飛行器起飛位置。X軸是在水平面內(nèi)指向某一方向，Z軸垂直于地面指向空中，Y軸在水平面內(nèi)垂直于X軸，并滿足右手定則。（6）即（5）通過轉(zhuǎn)換繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)到X、Y、Z軸的歐拉角φ、θ、ψ。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用右手定則，先繞z軸旋轉(zhuǎn)得ψ，再繞y軸旋轉(zhuǎn)得θ，最后繞x軸旋轉(zhuǎn)得φ，每旋轉(zhuǎn)一次，都有相應(yīng)的轉(zhuǎn)移矩陣，整理得機體坐標(biāo)系B到地面坐標(biāo)系E的轉(zhuǎn)換矩陣，如式（5）所示，整理得式（（6）即（5）4.電路設(shè)計4.1系統(tǒng)組成及原理框圖陀螺儀姿態(tài)傳感器超聲波模塊攝像頭RL78/G13MCU板飛行控制板電機陀螺儀姿態(tài)傳感器超聲波模塊攝像頭RL78/G13MCU板飛行控制板電機驅(qū)動模塊物體投放模塊圖4系統(tǒng)總體框圖4.2系統(tǒng)電路圖根據(jù)系統(tǒng)的方案設(shè)計和各模塊之間的關(guān)系，畫出系統(tǒng)電路圖，如圖5所示。各部分電路用紅框標(biāo)出。圖5飛行器整體電路圖5.程序設(shè)計5.1主程序思路圖基礎(chǔ)部分發(fā)揮部分降落返回A基礎(chǔ)部分發(fā)揮部分降落返回A區(qū)著陸探測著陸區(qū)域探測B區(qū)投放鐵片循跡前進循跡前進飛躍示高線調(diào)整飛行高度調(diào)整飛行高度起飛姿態(tài)調(diào)整拾起鐵片起飛姿態(tài)調(diào)整開始圖6主程序思路圖5.2PID算法流程圖配合上述PID算法，流程圖如圖7所示。圖7PID算法流程圖5.3系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā)，在CubSuite+環(huán)境下調(diào)試并實現(xiàn)功能。進入主程序并初始化后，按鍵開關(guān)按下后開始執(zhí)行相應(yīng)的程序。軟件程序設(shè)計采用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于分析和實現(xiàn)功能。6.測試方案6.1硬件測試調(diào)試PID的三個參數(shù)，當(dāng)飛行器反應(yīng)迅速且兩邊機翼等幅震蕩時即可確定P參數(shù)；調(diào)節(jié)D參數(shù)時當(dāng)飛行器從任意角度都可以一次直接返回平衡位置即可；當(dāng)某一邊機翼反應(yīng)過小時加一個I參數(shù)，直至測試出一組適合的PID參數(shù)。同時電源直接給電機供電，測試電壓電流正常。6.2軟件仿真測試用串口顯示每個電機PWM輸出，觀察各種姿態(tài)下PID控制后電機油門的大小。再在CubSuite+環(huán)境下調(diào)試，調(diào)試通過，直至無運行錯誤。6.3測試條件檢查多次，運行程序無誤，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。6.4軟硬件聯(lián)調(diào)通過編程，模仿出PWM，并測量是否能通過電機驅(qū)動來使飛行器起飛，通過多次測試，找出飛行器起飛時的PWM值。通過串口向主控板發(fā)送數(shù)據(jù)，并在電腦上利用串口接收，檢測數(shù)據(jù)是否正確，通過軟件編程針對顯示的數(shù)據(jù)進行修改。使四軸飛行器穩(wěn)定的起飛，并懸停在空中；再進行測試，使四軸飛行器前進和后退；最