多旋翼自主飛行器報告(C題)

選題編號：C題全國大學生電子設計競賽設計報告選題名稱：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，負責飛行姿態(tài)控制；導航模塊以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，負責完成比賽相應動作。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建立坐標軸計算 44.電路設計 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、尋找目標等功能。根據(jù)題意，我們計劃設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。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計由飛行控制模塊、導航模塊、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，主要負責四個電機的控制；導航模塊以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，主要負責完成比賽的相應要求。3.設計與論證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計。位置控制回路的控制指令預先設置或者由導航系統(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，在機體坐標系中表示的拉力FB=[00T]T。如式（1（1）（2）地面坐標系下，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建立坐標軸計算根據(jù)動力學模型建立機體坐標系B(oxyz)和地面坐標系E(OXYZ)兩個坐標系如圖3所示。圖3機體坐標系與地面坐標系機體坐標系原點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，都有相應的轉(zhuǎn)移矩陣，整理得機體坐標系B到地面坐標系E的轉(zhuǎn)換矩陣，如式（5）所示，整理得式（（6）即（5）4.電路設計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)的方案設計和各模塊之間的關系，畫出系統(tǒng)電路圖，如圖5所示。各部分電路用紅框標出。圖5飛行器整體電路圖5.程序設計5.1主程序思路圖基礎部分發(fā)揮部分降落返回A基礎部分發(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，按鍵開關按下后開始執(zhí)行相應的程序。軟件程序設計采用模塊化的結(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)，當飛行器反應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)時當飛行器從任意角度都可以一次直接返回平衡位置即可；當某一邊機翼反應過小時加一個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