多旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計開題報告電氣工程與自動化多旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計一、選題的背景與意義多旋翼飛行器中最具代表性的就是四旋翼飛行器，對四旋翼的研究意義任重而道遠(yuǎn)。四旋翼飛行器實際上是一類安裝有四個螺旋槳的直升機，而且四個螺旋槳在平面上呈現(xiàn)十字交叉的結(jié)構(gòu)。四旋翼飛行器飛行的動作是通過控制和調(diào)節(jié)周邊四個螺旋槳產(chǎn)生的升力大小來實現(xiàn)的。目前傳統(tǒng)的旋翼式直升機一般通過改變它的螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度、葉片的傾斜角和葉片的輪列角，從而既能夠調(diào)整升力的大小，還可以調(diào)整升力的方向。但是與傳統(tǒng)的旋翼式直升機不同，四旋翼飛行器只可以通過改變四個螺旋槳的速度來實現(xiàn)各種飛行動作。雖然四旋翼飛行器的四個螺旋槳的傾斜角都是固定不變的，但是由于每個螺旋槳都是用彈性材料制做而成的，因而可以通過空氣阻力扭曲螺旋槳來改變傾斜角。總之，四旋翼飛行器的升力是四個螺旋槳速度的合成效果，而四旋翼飛行器的旋轉(zhuǎn)力矩則是由四個螺旋槳速度的差異引起的。直升機在他的發(fā)展歷程中巧妙使用總距控制和周期變矩控制之前，經(jīng)典的四旋翼的結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為是一種最簡單和直觀的穩(wěn)定控制方式。然而由于這種結(jié)構(gòu)形式必須同時協(xié)調(diào)地控制四個旋翼的運行狀態(tài)參數(shù)，對駕駛員的人為操縱來說是一件非常復(fù)雜的事，所以這種方案始終沒有能夠真正在大型直升機設(shè)計中被公眾采用。這里，四旋翼飛行器考慮采用這種結(jié)構(gòu)形式，主要是因為總距控制和周期變矩控制雖然精巧，控制靈活，但其復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)卻使它無法輕易在小型四旋翼飛行器設(shè)計中應(yīng)用，所以很有研究開發(fā)的必要。另外，四旋翼飛行器的旋翼工作效率相對較低，要想從單個旋翼上增加拉力是很有限的，所以采用多旋翼結(jié)構(gòu)形式毋庸置疑是一種提高四旋翼飛行器飛行時的負(fù)載能力的最有效的措施之一。針對四旋翼結(jié)構(gòu)存在的控制量較多的問題，可以通過設(shè)計合適的自動飛行控制系統(tǒng)去解決。四旋翼飛行器采用四個旋翼的直接動力源，旋翼對稱分布在飛行器的前、后、左、右的四個方向，并且四個旋翼處于空間的同一高度的水平面上，而且四個旋翼的結(jié)構(gòu)都相同，四個電機以對稱的形式安裝在飛行器的支架端，支架中間的空間用于安放飛行控制系統(tǒng)的電路板和電源。典型的直升機一般配備有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾槳，他們通過控制舵機來精確改變螺旋槳的槳距角，從而起到控制直升機的姿態(tài)和位置的作用，然而四旋翼飛行器與此不同，它是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變對應(yīng)的旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)整升力的變化，從而起到控制飛行器的姿態(tài)和位置的作用。由于四旋翼飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力相對不穩(wěn)定，所以在控制方面需要一種能夠用于長期保持穩(wěn)定的控制算法。從結(jié)構(gòu)上說，四旋翼飛行器就是一種六自由度的垂直升降機，因而非常適合在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下平穩(wěn)飛行。臺灣泰世科技GAUI330X的主要特點：1.兼容35/40/72MHz或2.4GHz遙控器；至少需要4通道遙控器；使用標(biāo)準(zhǔn)PWM電調(diào)和無刷馬達(dá)，具有無限的動力升級能力；目前航模方面使用的傳感器、電機、電子調(diào)速器都可以方便購買，而控制核心可以用單片機等具有編程能力的芯片，在一定程度上支持了飛行器的開發(fā)。二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題：研究的基本內(nèi)容：通過多旋翼飛行器原理的學(xué)習(xí)，設(shè)計多旋翼飛行器的控制器，實現(xiàn)多旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行。具體如下：學(xué)習(xí)多旋翼飛行器的飛行、控制原理；合理選擇控制器，設(shè)計控制方案。擬解決的主要問題：設(shè)計多旋翼飛行器的硬件控制電路；設(shè)計多旋翼飛行器的平衡控制算法；設(shè)計飛行控制軟件，實現(xiàn)飛行器的平穩(wěn)飛行。三、研究的方法與技術(shù)路線：完整的多旋翼飛行器控制系統(tǒng)包括控制核心、電子調(diào)速器、傳感模塊、無線模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。傳感器圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制核心：選擇了C8051F330,它有768字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,有8KBFLASH,可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié)，作為高速8051微控制器內(nèi)核，使用流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期，速度可達(dá)25MIPS（時鐘頻率為25MHz時），具有可擴展的中斷系統(tǒng)，有17個端口I/O，均耐壓5V和大灌電流，硬件增強型UART、SMBus和增強型SPI串口，有4個通用16位計數(shù)器/定時器，有16位可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），有3個捕捉/比較模塊，使用PCA或定時器和外部時鐘源的實時時鐘方式，具有兩個內(nèi)部振蕩器：24.5MHz，可支持晶體UART操作；80/40/20/10KHz低頻率、低功耗振蕩器。支持在片調(diào)試：片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器）；支持?jǐn)帱c、單步、觀察/修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能；廉價而完整的開發(fā)套件。在設(shè)計中，可以方便利用其內(nèi)部的定時器功能產(chǎn)生電子調(diào)速器所需的PWM控制信號。無線模塊：選擇nRF24L01。此種無線通訊模塊工作在2.4GHz全球開放頻段，可以在1.9?3.6V低電壓情況下工作，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，有126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，內(nèi)置2.4GHz天線，體積小巧。模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時菜會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便，內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開關(guān)電源均有很好的通信效果，標(biāo)準(zhǔn)的DIP間距接口，便于嵌入式應(yīng)用，工作于EnhancedShockBurst具有Automaticpackethandling，Autopackettransactionhandling，具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機制，極大的降低丟包率。電機和電子調(diào)速器：選擇新西達(dá)2212電機和其專用的30A級電調(diào)。新西達(dá)2212電機為外轉(zhuǎn)子無刷電機。其電機有兩而重要性能常數(shù)：電壓常數(shù)與電流常數(shù)，電壓常數(shù)就是通常講的KV值，即電機空載時，電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，而電流常數(shù)標(biāo)定的是：電機恒速時，電流與扭矩的關(guān)系。新西達(dá)2212配1060的槳可以提供較大的升力，總體性價比較高。在電子調(diào)速器的控制信號方面需要提供的是周期為20ms的PWM波，高電平可以從1ms到2ms，輸出會相應(yīng)的從小到大變化。傾角傳感器：選擇傾角傳感器用于對飛行器飛行狀態(tài)進行檢測。在航模方面可以參考陀螺儀的作用，通過傾角傳感器來檢測飛行器的三軸位置，并將測量的三個位置信號提供給控制核心進行運算處理，飛思卡爾在這方面有了MMA7260和MMA7455，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，再有，L3G4200D常用于制作三軸陀螺儀，實時性做的很好，但是價格方面偏高，所以，選擇合適的角度傳感器就能更好的保證控制信號的實時性和準(zhǔn)確性。平衡控制算法：參考在自動控制方面較常用PID控制算法。其中，P為比例控制環(huán)節(jié)，是一種非常簡單的控制方法，它的控制器的輸出與它的輸入誤差信號形成了一定的比例關(guān)系，但是當(dāng)僅有此種控制方式時，系統(tǒng)輸出會存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差；I為積分控制環(huán)節(jié)，在積分控制環(huán)節(jié)中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分結(jié)果成正比關(guān)系，此控制主要用于消除系統(tǒng)的靜差；D為微分控制環(huán)節(jié)，主要反映了偏差信號的變化速率，并能夠趕在偏差信號變得過大之前，向系統(tǒng)中引入一個合適的修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作反應(yīng)的速度，縮短調(diào)節(jié)時間。對一個傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個系統(tǒng)是有差系統(tǒng)(SystemwithSteady-stateError)，為了有效消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器就中必須引入“積分環(huán)節(jié)”，積分環(huán)節(jié)取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會相應(yīng)增大，這樣，即便誤差很小，積分項也會相應(yīng)隨著時間的增加而增大，它使控制器的輸出增大，從而使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到達(dá)到零。因而，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后達(dá)到無穩(wěn)態(tài)誤差。按偏差的比例環(huán)節(jié)(P)、積分環(huán)節(jié)(I)和微分環(huán)節(jié)(D)進行控制的PID調(diào)節(jié)器是目前應(yīng)用較為廣泛的一種自動控制器。它的原理簡單，易于實現(xiàn)，控制參數(shù)相互獨立和參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式比較簡便，結(jié)構(gòu)可以靈活改變。參考公式如下：uk=uk1+Kp*(ek-ek1)+Ki*ek+Kd*(ek-2*ek1+ek2)；uk1=uk；ek2=ek1；ek1=ek；其中，uk=u(k-1)，余下同前。在四旋翼飛行器的運動控制中要通過實際測試和校正，參考PID控制的思想，合理協(xié)調(diào)控制四個旋翼的工作，通過運行調(diào)試完善飛行器的姿態(tài)控制算法。四、研究的總體安排與進度：開始時間：2010年12月21日階段一：(10.11.01——10.11.30)課題設(shè)計的相關(guān)資料的搜集。階段二：(10.12.01——10.12.26)完成開題報告。階段三：(11.01.01——11.03.10)設(shè)計并調(diào)試多旋翼飛行器的硬件控制電路。階段四：(11.03.10——11.04.05)設(shè)計多旋翼飛行器的平衡控制算法。階段五：(11.04.06——11.05.20)畢業(yè)論文的撰寫。五、主要參考文獻：胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2007,(06):243-304.鄭祥明，昂海松.基于多傳感器技術(shù)的微型飛行器智能組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J].宇航學(xué)報,2007,(05):1185-1189.陳國棟，賈培發(fā)，劉艷.微型飛行器十年[J].國外科技動態(tài)，2005,(02):29-33.韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J]控制與決策,1998,(01):19-23.韓京清.從PID技術(shù)到“自抗擾控制”技術(shù)[J]控制工程，2002,(03):13-18.石文蕊，李彥華.微型飛行器對傳統(tǒng)思維的挑戰(zhàn)[J].航空兵器，2000,(05):32-37.翁梓華,黃太平，吳金明，林淑芬，莫位平.微型飛行器的研究進展和主要技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2005,(02):98-102.宋征宇.飛行控制軟件可靠性設(shè)計[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，1997,(01):7-11.鄧以高，田軍挺,王亞鋒，雷軍委.飛行器姿態(tài)控制方法綜述[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù),2006,(02):7-13.王美仙，李明，張子軍.飛行器控制律設(shè)計方法發(fā)展綜述[J].飛行力學(xué),2007,(02):1-4.MettlerB.Modelingsmall-scaleunmannedrotoracraftforadvancedflightcontroldesign[D].Pittsburgh:De