四軸飛行器設(shè)計(jì)概述

四軸飛行器設(shè)計(jì)概述09電子信息工程01Wit智能車團(tuán)隊(duì)2021/5/91一、四軸簡(jiǎn)介及其發(fā)展前景二、系統(tǒng)組成三、硬件及控制算法四、后續(xù)研究2021/5/92四軸簡(jiǎn)介及其發(fā)展前景什么是四軸飛行器？

四軸飛行器是微型飛行器的其中一種，也是一種智能機(jī)器人。其構(gòu)造特點(diǎn)是在它的四個(gè)角上各裝有一旋翼，由電機(jī)分別帶動(dòng)，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個(gè)方向的陀螺儀和3軸加速度傳感器組成慣性導(dǎo)航模塊，通過(guò)電子調(diào)控器來(lái)保證其快速飛行。2021/5/93四軸簡(jiǎn)介及其發(fā)展前景

如何運(yùn)動(dòng)？

“+”型飛行模式“X”型飛行模式2021/5/94四軸簡(jiǎn)介及其發(fā)展前景

其發(fā)展前景如何？

四軸飛行器可搭載GPS、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、高清攝像頭、各種科研設(shè)備甚至武器系統(tǒng)，民用型的飛行器可執(zhí)行災(zāi)情調(diào)查救援任務(wù)如水災(zāi)、火災(zāi)、地震等；噴灑農(nóng)田、林區(qū)農(nóng)藥；監(jiān)測(cè)化工廠等危險(xiǎn)場(chǎng)所的危險(xiǎn)氣體的濃度；巡查輸油管線、輸電線路；連續(xù)監(jiān)控重要的設(shè)施；區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼等。軍用的飛行器可執(zhí)行高空定點(diǎn)偵查，情報(bào)搜尋以及武裝攻擊等高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)。2021/5/95系統(tǒng)組成

四大部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛控電路板飛控算法2021/5/96系統(tǒng)組成

飛行控制電路板2021/5/97系統(tǒng)組成

姿態(tài)檢測(cè)模塊（AHRS）

1.三軸加速度計(jì)

2.三軸陀螺儀 3.三軸地磁儀 4.氣壓計(jì)

2021/5/98系統(tǒng)組成

飛控算法

1.濾波融合算法

2.平衡控制算法 3.自穩(wěn)控制算法 4.飛行控制算法

2021/5/99硬件及控制算法主要硬件模塊：

從設(shè)計(jì)初期到最終完成設(shè)計(jì)一共設(shè)計(jì)并投板2版PCB。

其中第一版主要包含電源供應(yīng)電路、4路電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、STM32最小系統(tǒng)電路、SWD下載調(diào)試接口、啟動(dòng)方式選擇接口、NRF24L01無(wú)線模塊接口、一個(gè)串口接口、三軸加速度計(jì)三軸陀螺儀MPU6050驅(qū)動(dòng)電路、地磁儀HMC5883驅(qū)動(dòng)電路以及OLED液晶模塊顯示接口。

第二版主要包含電源供應(yīng)電路、8路電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口、STM32最小系統(tǒng)、JLINK下載調(diào)試接口、啟動(dòng)方式選擇接口、NRF24L01無(wú)線模塊接口、藍(lán)牙串口模塊驅(qū)動(dòng)電路、2個(gè)串口接口、三軸加速度計(jì)三軸陀螺儀MPU6050驅(qū)動(dòng)電路、地磁儀HMC5883驅(qū)動(dòng)電路、氣壓計(jì)BMP180驅(qū)動(dòng)電路、OLED液晶模塊顯示接口、GPS導(dǎo)航模塊接口、蜂鳴器電路以及電壓監(jiān)測(cè)電路，并將其余幾乎所有閑置IO口引出，方便后期功能升級(jí)擴(kuò)展。2021/5/910硬件及控制算法主控芯片

使用STM32F103系列芯片，型號(hào)為STM32F103VET6，該芯片為增強(qiáng)型32位基于ARM核心Cotex-M3的微控制器，自帶512K字節(jié)閃存，高達(dá)64K字節(jié)SRAM。最高支持72M工作頻率，3個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器（多達(dá)21個(gè)轉(zhuǎn)換通道），轉(zhuǎn)換時(shí)間最低達(dá)到1us，并包含2通道12位DA轉(zhuǎn)換器。12通道DMA控制器，多達(dá)11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口2021/5/911硬件及控制算法最小系統(tǒng)

2021/5/912硬件及控制算法下載與啟動(dòng)方式選擇電路2021/5/913硬件及控制算法電源供應(yīng)電路2021/5/914硬件及控制算法濾波電路2021/5/915硬件及控制算法MPU6050MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題，減少了大量的包裝空間。MPU-6050的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。2021/5/916硬件及控制算法MPU6050驅(qū)動(dòng)電路2021/5/917硬件及控制算法HMC5883HMC5883是一種表面貼裝的高集成度、帶有IIC數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片。它內(nèi)含有最先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路（包括有放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器和偏差校準(zhǔn)等），具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器能使羅盤精度控制在1°~2°之間，測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯(gauss)。2021/5/918硬件及控制算法HMC5883驅(qū)動(dòng)電路2021/5/919硬件及控制算法HC-05HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式，在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主從和回環(huán)三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行所有AT命令，用戶可為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過(guò)控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。2021/5/920硬件及控制算法藍(lán)牙串口模塊驅(qū)動(dòng)電路2021/5/921硬件及控制算法第一版飛控2021/5/922硬件及控制算法2021/5/923硬件及控制算法第二版飛控2021/5/924硬件及控制算法2021/5/925硬件及控制算法

濾波融合算法

1.滑動(dòng)窗口濾波法

把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。

2.一階滯后濾波法

取a=0到1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。2021/5/926硬件及控制算法濾波效果N=20A=0.32021/5/927硬件及控制算法N=35A=0.22021/5/928硬件及控制算法N=50A=0.12021/5/929硬件及控制算法融合算法加速度計(jì)是用來(lái)檢測(cè)加速度的，實(shí)際使用中測(cè)量角度是利用靜態(tài)時(shí)只存在重力加速度，再使用反正弦求出角度。而在運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)方向相同的一個(gè)加速度分量，該加速度分量會(huì)疊加在重力加速度上，使角度測(cè)量產(chǎn)生很大偏差。陀螺儀用來(lái)檢測(cè)當(dāng)前軸的角速度，可以很好的抗震動(dòng)和干擾，對(duì)陀螺儀一段微小時(shí)間內(nèi)的角速度進(jìn)行積分，積分后的結(jié)果就為此段時(shí)間該軸旋轉(zhuǎn)的角度。而眾所周知，積分會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，當(dāng)累計(jì)誤差達(dá)到一定大小，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大影響，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低?；ハ嘌a(bǔ)償融合2021/5/930硬件及控制算法2021/5/931硬件及控制算法2021/5/932硬件及控制算法平衡自穩(wěn)控制算法PID控制器原理框圖2021/5/933硬件及控制算法在實(shí)際使用中，以X軸平衡為例，使用到了兩套PID算法，對(duì)陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行PD運(yùn)算，可使飛行器在某一范圍內(nèi)穩(wěn)定或者很緩慢的偏移，并且可以抗大的擾動(dòng)，此為飛行器平衡算法。但單獨(dú)依靠此算法飛行器無(wú)法自動(dòng)回到零點(diǎn)，這就需要對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)角度進(jìn)行PI運(yùn)算或PID運(yùn)算，當(dāng)飛行器發(fā)現(xiàn)與零點(diǎn)有偏差，PI運(yùn)算立刻起作用，修正飛行器角度，此為飛行器自穩(wěn)算法。2021/5/934硬件及控制算法飛行控制算法四軸飛行器在四角上安裝有四個(gè)電機(jī)，所有的飛行姿態(tài)都由四個(gè)電機(jī)來(lái)控制，包括橫滾（繞x軸旋轉(zhuǎn)）、俯仰（繞y軸旋轉(zhuǎn)）、航偏（繞z軸旋轉(zhuǎn)）。在x、y、z軸設(shè)立零點(diǎn)角度值A(chǔ)ngle_x0、Angle_y0、Angle_z0，設(shè)現(xiàn)在實(shí)時(shí)角度值為Angle_x、Angle_y、Angle_z，則現(xiàn)在偏差為：Angle_Error_x=Angle_x-Angle_x0；Angle_Error_y=Angle_y-Angle_y0；Angle_Error_z=Angle_z-Angle_z0；對(duì)該偏差