基于STM32的四旋翼飞行控制器的设计.doc

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本科生毕业论文正文

(2016届)

论文题目基于STM32的四旋翼飞行控制器设计

学生姓名刘恩岗学号2012810431 专业电子信息工程切入式软件方向班级电子1203 指导教师懂利达职称副教授

杭州国际服务工程学院教学部

基于STM32的四旋翼飞行控制器设计

摘要

随着时代的发展,多旋翼飞行器越来越被广泛的应用在军事、民用、以及科学研究等多个领域,同时其本身也向着高效、多功能化方面发展。

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机又叫四轴飞行器,是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器,可以搭配微型相机录制空中视频。

四旋翼直升机,国外又称Quadrotor,Four-rotor,4 rotors helicopter,X4-flyer等等,是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构,相对的四旋翼具有相同的旋转方向,分两组,两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同,四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作(目前,也出现可以改变螺距的四旋翼飞行器,这种控制方式比改变电机转速更灵活方便)。

1907年,法国Breguet兄弟制造了第一架四旋翼式直升机,这次飞行中没有用到任何旋翼式直升机,这次飞行中没有用到任何的控制,所以飞行稳定性是很差。

1921年,George De Bothezat在美国俄亥俄州西南部城市代顿的美国空军部建造了另一架大型的四旋翼直升机先后进行了一架大型的四旋翼直升机,先后进行了100多次的飞行试验但是仍然无法很好的控制其飞行,并且没有达到美国空军标准。

1924 年,出现了一种叫做Oemichen的四旋翼直升机,直升机首次实现了1km 的垂直飞行。

1956 年,Convertawing造了一架四旋翼直升机,该飞行器的螺旋桨在直径上超过了19 英尺,用到了两个发动机,并且通过改变每个螺旋桨提供的推力了来控制飞行器。

在此之后的数十年中,四旋翼垂直起降机没有什么大的进展。近十几年来,随着微系统、传感器以及控制理论等技术的发展四旋翼垂直起降机制理论等技术的发展,四旋翼垂直起降机又引起人们极大的兴趣。研究集中在小型或微型四旋翼飞行器的结构、飞行控制以及能源动力等方面。

本文采用固定机翼式四轴飞行器,主要采用PID技术调节和无刷直流电机驱动技术,初步研究设计飞行器的整体结构和飞行姿态,采用GPS技术导航增加飞行器姿态稳定性。本研究采用STM32主芯片作为飞行器的整体控制系统。飞行姿态均有地面站图像处理然后采用无线传输技术调整飞行器飞行姿态。

关键字:四旋翼飞行器,四轴飞行器,四旋翼直升机,GPS,STM32,PID

DESIGN OF FOUT ROTOR FLINGHT CONTROLLER

BASED ON STM32

ABSTRACT

With the development of the times, more and more rotor aircraft is widely used in military, civil, and scientific research and other fields, and it is also facing the development of efficient, multi-functional.

The four rotor aircraft, also known as the four rotor helicopter is also called the four axis aircraft, is a kind of 4 propeller and the propeller is a cross of ten cross aircraft, you can match the micro camera to record aerial video.

The four rotor helicopter, also known as Quadrotor, Four-rotor. 4 rotors helicopter, X4-flyer, and so on, is a kind of with four propeller aircraft and four propellers is cruciform cross structure, relative to the four rotor with the same rotating direction, divided into two groups, the rotation direction of the two groups of different. Unlike conventional helicopters, quadrotor helicopter only through changing the speed of the propellers to achieve a variety of actions (at present, also can change the pitch quadrotor, controlled this way than to change the motor speed more flexible and convenient).

In 1907, the French Breguet brothers made the first of four rotor helicopter, the flight did not use any rotor helicopter, the flight did not use any control, so the flight stability is very poor.

In 1921, George de Bothezat in Ohio southwest of the city of Dayton Department of the air force built on a large four rotor helicopter has conducted a large four rotor helicopter, has carried out more than 100 times the flight test but is still not a good control of the flight, and did not reach the standard of the United States Air Force.

In 1924, there was a four rotor helicopter called Oemichen, the first helicopter to achieve the 1km vertical flight.

In 1956, Convertawing made a frame of four rotor helicopter, the aircraft's propeller in diameter over the 19 feet, used two engines, and by changing each propeller thrust the to control aircraft.

In the decades after this, the four rotor vertical landing aircraft no major progress. In the last ten years, with the development of the technology of micro system, sensor and control theory, the development of the four rotor vertical takeoff and landing mechanism theory and other

technologies, the four rotor vertical takeoff and landing machine has aroused great interest. The study focuses on the structure, flight control, and energy dynamics of small and micro four rotor aircraft.

The fixed wing type four axis aircraft, mainly adopts PID regulation and no brush DC motor drive technology, preliminary study on the design of the aircraft and the overall structure of the flight attitude, increase the stability of the aircraft attitude in the GPS navigation technology. This study adopts STM32 as the main chip of integrated control system for vehicle. The flight attitude has the ground station image processing and then uses the wireless transmission technology to adjust the flight attitude of the aircraft.

Key words: four rotor aircraft, four axis aircraft,four rotor helicopter, GPS, STM32, PID

目录

第一章绪论 (6)

1.1 引言 (6)

1.2 四旋翼飞行其发展史 (6)

1.3 四旋翼飞行器的发展前景 (7)

第二章四旋翼飞行基础控制原理 (10)

2.1 飞行动力原理 (10)

2.2 姿态分析 (10)

2.3 动力学原理 (13)

2.4 选材 (14)

第二章四旋翼飞行器硬件 (14)

2.1 四旋翼硬件框架 (14)

2.2 硬件设计与选型 (15)

2.2.1 微控制器 (15)

2.2.2 电机驱动控制 (16)

2.3 无刷电调 (18)

2.2.4 螺旋桨 (19)

第三章总结与展望 (20)

3.1 总结 (20)

3.2 未来的研究发展 (20)

参考文献 (21)

致谢 (21)

第一章绪论

1.1 引言

四轴飞行器是无人飞机的一种,也是一种智能机器人,“四轴”指飞行器的动力由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来,随着现代控制理论与电子控制技术的发展,运用现代技术控制技术,使用电机代替油动力引擎进行四轴飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩浆,可通过反扭矩浆作用使飞行器扭矩平衡。同时由于飞行器可以共享电池。电路板等,使得可以设计更加精简紧凑的结构,使电机旋翼产生的升力更加有效地利用。因此四轴飞行器的发展更加小型化、多样化,使的四轴飞行器的应用更加广泛。飞行器自动控制器通常需要惯性导航系统获取自身的姿态,而在20世纪90年代之前,惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上,飞行器的载荷必须很大,可是人们发现,不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统,都很难得到足够的载荷。同时,因为固定翼和直升机已经很够实际使用了,所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里,只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。

1.2 四旋翼飞行其发展史

20世纪90年代之后,随着微机电系统(MEMS)研究的成熟,几克重的MEMS惯性导航系统被制作了出来,使得多旋翼飞行器的自动控制器可以做了。但是MEMS传感器数据噪音很大,不能直接读出来用,于是人们又花了一些年的时间研究MEMS去噪声的各种数学算法。这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行,于是人们又等了一些年时间,等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构,给它建模、设计控制算法、实现控制算法。

因此,直到2005年左右,真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中,大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜,纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如上所述,最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到2009年的著名印度电影《三傻》……2010年,法国Parrot公司发布了世界上首先流行的四旋翼飞行器AR.Drone。作为一个高科技玩具,它的性能非6常优秀:轻便、灵活、安全、控制简单,

还能通过传感器悬停,用WIFI传送相机图像到手机上。

AR.Drone的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上,多旋翼飞行器的优势就显示出来了,同尺寸的固定翼基本飞不起来,而同尺寸的直升机因为机械结构复杂,根本没法低成本地制作出稳定的产品。

2012年2月,宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎,迄今已经有三百多万次观看,是TED成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。

自此之后,四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升,成为了新的商业焦点。

1.3 四旋翼飞行器的发展前景

谈论四旋翼飞行器的市场,我们应该先谈论DJI。早年DJI专注在直升机自动控制器上。不过在2010年,AR.Drone的成功也让DJI开始考虑四旋翼飞行器产品。2012年DJI相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和S800六旋翼飞行器。当时,在AR.Drone 的引领下,全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮,DJI只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。

当新技术产生的时候,人们总是充满希望用这些技术赶快赚钱,但是很多技术如果找不到合适的应用,就会流于衰败的命运。2012年的时候,研发四旋翼产品的人们在热情之余也存有一丝迷茫:四旋翼飞行器是很好玩,但是它除了作为玩具之外,还有什么价值呢?就像AR.Drone被定义成玩具一样,DJI最早的多旋翼产品也被人定义成玩具、航模。2012年底的时候,一个天使投资人说,他直言自己不看好DJI这样的玩具公司。

这个问题在2013年得到了解答。随着DJI Phantom在2013年1月的推出,四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。“Phantom”在英语里有幻影、精灵的意思,它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。Phantom与AR.Drone一样控制简便,新手学习多半个小时就可以自由飞行。Phantom尺寸比AR.Drone大的多,抗风性更好,还具有内置GPS 导航功能,可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是,当时利用GoPro运动相机拍摄极限运动已经成为欧美国家的时尚,而Phantom提供了挂载GoPro的连接架,让用GoPro相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地,与传统的飞机和直升机航拍不同,多旋翼系统小巧灵活,能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像iPhone重新定义了手机一样,我们也可以毫不夸张地说Phantom+GoPro重新定义了航拍,也重新定义了相机。

Phantom迅速成为了世界上销量最大的四旋翼飞行器,每月销量成千上万。随着Phantom 的成功,“多旋翼航拍影像系统”成为了DJI的主要发展方向。按照多方进行的数据统计,目前全球称为航拍影像系统的产品中,DJI产品的销量超过5成,是名符其实的行业领导者。事实是,DJI产品在国内销量差不多是国外销量的零头。

其他四旋翼公司看到了DJI的成功,也开始纷纷跟进,但是持续创新的DJI很快做出了精准的相机消抖云台,让S800的航拍影像质量达到了电影级别,在好莱坞的电影拍摄者中建立了良好的口碑,也带动了“航拍公司”这个产业的形成。DJI发明了四旋翼系统的黑匣子IOSD,让飞行数据可以被记录、分析,增加飞行的安全性。DJI开发了优秀的图传系统,提高了远程实时图像传输的质量。2013年下半年,以“会飞的相机”为宣传语的Phantom Vision 带着一体化的相机和改进的电池系统面世,进一步提升了航拍的体验。

DJI优秀的marketing team借助在好莱坞的人脉迅速拓展了大量名人作为Phantom的用户,在北美广为人知。所以现在四旋翼飞行器的市场一部分是以AR.Drone和比他尺寸更小的玩具市场,另一部分是DJI Phantom和DJIS1000这个尺寸段的航拍飞行器市场。玩具市场暂且不说,航拍飞行器市场据分析未来几年会发展到100亿美元的规模。

乔布斯说过:“people don't know what they want until you show it to them.”两年前,当四旋翼无人机还处在玩具阶段的时候,没有人知道它能用来干什么。而现在,当成千上万的四旋翼飞行器在我们四周盘旋的时候,成千上万的新想法也随之起飞了。随着亚马逊、DHL 和顺丰相继进行多旋翼飞行器测试送快递,随着媒体不断报道哪个国家的谁谁谁又用四旋翼飞行器做了啥啥啥应用,诸如送快递、输电线路勘测、野生动物保护、安防监控之类的想法似乎都已经不是新鲜名词了。四旋翼飞行器的市场似乎变得很大。

人们热切地提出各种各样的想法。在DJI,几乎每天都有人来找我们说你们的飞机能不能用来作啥啥啥,其中不乏一些世界500强公司的代表。大部分这些想法通常是不切实际的,因为人们通常不理解四旋翼飞行器和直升机以及固定翼的区别,不明白什么样的应用应该用什么样的飞行器,这就是为什么开头我要花巨大的篇幅来解释无人机的分类。比如说,勘测稻田这个事情,显然是固定翼更合适,因为它飞行半径大,续航时间长。而勘测温室里的植物,显然是四旋翼更合适,因为它尺寸小、灵活、运动更自由。

通常一个公司如果专注于做一类飞行器,很难快速地切换去做另一类飞行器。比如做四旋翼飞行器需要大量做控制的人才,而做固定翼需要大量懂空气动力学的人才。同一个团队基本不可能又能做四旋翼又能做固定翼。所以一个无人机公司如果不是非常有钱,应该专注在三种飞行器中的一种上。

“人类对飞行的梦想是与生俱来的。”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来,想必当人们更加了解三类飞行器的优缺点之后,更多的公司进入各种飞行器行业,更多的飞行器被制造出来,更多的想法也会被创造出来,这样更大的市场也会形成。我相信在未来的十年之内,无人机行业会逐步壮大,我们今天产生的所有想法基本都会实现,更多的想法也会逐步被实现,利用无人机的应用越来越多,无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。

当然,三种无人机的比例会在不同时期有所不同。四旋翼市场很可能萎缩,因为它续航时间短,载重量小,还像蚊子一样嗡嗡叫,不合适大多数我们想实现的应用。现在人们觉得

可以用四旋翼送快递或者干这个干那个,完全只是因为you show it to them。如果将来有人设计了一种利用固定翼送快递的方案,显然能送更多的东西,更省电,也更安静,那么很可能人们主要会研究用固定翼送快递。人们暂时只是被成熟的四旋翼解决方案冲昏了头脑,以为四旋翼无所不能,但这种看法是不完整的。

目前美国物理学家Anderson正在着手一个“follow me box”,一个手机大小的盒子,你可以别在你的皮带上来遥控一个飞机(机器人),让它跟在你身边用镜头记录你的每一瞬间。比如一个冲浪运动员希望记录自己冲浪瞬间的镜头,你按一下follow me box的按钮,这个飞机(机器人)就会飞出你的身体,盘旋在你上空的位置,然后开始拍照,如果电池开始不够了,飞机(机器人)会自行检测然后安全着陆到海滩。目前遥控飞机被用到的领域包括需找遇难的徒步旅行者和滑雪者、给房屋拍摄航空影像、调查非洲的考古遗址等。现在世界前沿领先制造四轴飞行器有:深圳市大疆创新科技有限公司(DJI)、法国巴黎Parrot(派诺特)公司、3D Robotics、AscTec为德国Ascending 公司旗下的无人机品牌、亿航科技(Ehang)、深圳零度智能飞行器有限公司(ZeroTech)、广州极飞电子科技有限公司(XAIRCRAFT)、上海九鹰电子科技有限公司(MOLA(模拉))、深圳飞豹航天航空科技有限公司(FL YPRO)、Yuneec 等。

第二章四旋翼飞行基础控制原理

2.1 飞行动力原理

(图2.1)(图2.2 )

四轴飞行器是一个在空间具有6个活动自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),但是只有4个控制自由度(四个电机的转速)的系统,因此被称为欠驱动系统(只有当控制自由度等于活动自由度的时候才是完整驱动系统)。不过对于姿态控制本身(分别沿3个坐标轴作旋转动作),它确实是完整驱动的。

2.2 姿态分析

因有两对电机转向

相反,可以平衡其对机

身的反扭矩,当同时增

加四个电机的输出功率,

旋翼转速增加使得总的

拉力增大,当总拉力足

以克服整机的重量时,

四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,(图2.2.1)

实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

电机1的转速上升,电机3的转

速下降,电机2、电机4的转速保持不

变。为了不因为旋翼转速的改变引起

四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,

旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应

相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3

的升力下降,产生的不平衡力矩使机

身绕y轴旋转(方向如图所示),同理,

当电机1的转速下降,电机3的转速

上升,机身便绕y轴向另一个方向(图2.2.2)

旋转,实现飞行器的俯仰运动。

改变电机2和电机4的转速,

保持电机1和电机3的转速不变,

则可使机身绕x轴旋转(正向和

反向),实现飞行器的滚转运动。

(图2.2.3)

四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中,当电机1和电机3的转速上升,电机2和电机4的转速下降时,旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机1、电机3的转向相反。

(图2.2.4)

要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中,增加电机3转速,使拉力增大,相应减小电机1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y 轴的水平运动。(图2.2.5)

(图2.2.6)

2.3动力学原理

四旋翼飞行器的升力全来自于螺旋桨,螺旋桨靠电机驱动高速旋转,旋转与空气相互作用,产生上升力,上升力来源有两种、:

①空气推力

②螺旋桨向后推空气的反作用力

2.3.1空气推力

根据伯努利原理,动能+压力势能=常数,即公式如下:

P1+1/2ρV12+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。它也可以被表述为p1+1/2ρv12+ρgh1=p2+1/2ρv22+ρgh2。

在螺旋桨旋转过程

中,密度、高度、重力常

数均变,速度V越大,

则压强P越小,如右图图

(图2.3.1)

桨叶上半部距离长,但流过的时间是一样的,故桨叶上方空气流速v更大,压力p更小,由于压力差的存在,空气对桨叶有向上的推力。

2.3.2螺旋桨反作用力

螺旋桨旋转时,桨叶不断把大量空气(推进介质)向后推去,在桨叶上产生一向前的力,即推进力。

2.3.3其他

一般情况下,螺旋桨除旋转外还有前进速度。如截取一小段桨叶来看,就像一小段机翼,其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉

力。在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩,由发动机的力矩来平衡。桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。螺旋桨旋转一圈,以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的,但圆周速度则与该剖面距转轴的距离(半径)成正比,所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小,为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内,各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。这就是每个桨叶都有扭转的原因。

螺旋桨旋转时,桨叶剖面弦与旋转平面的夹角称为桨叶安装角。

2.4 选材

1、遥控器

2、机架

3、飞控

4、电调

5、电机

6、正反桨

7、电池

8、平衡充

9、带有电罗经的GPS

3、数传

第二章四旋翼飞行器硬件

2.1四旋翼硬件框架

系统核心部分为飞行控制器(简称飞控),其核心芯片为基于STM32F405R6T6的控制系统。为控制器加上各种功能及模块,来操控飞行姿态。为控制器实现对无线传感及传感器的信号进行采样处理计算,得到想要的飞行姿态位置及其参数,结合遥控操作极地面操作控

制信号进行控制算法,实现对四个无刷电机控制量输出。由3轴重力加速传感器与陀螺仪传感器组成电子陀螺仪模块实现对四旋翼飞行器姿态控制。

(2.1 硬件结构图)

2.2 硬件设计与选型

2.2.1微控制器

微控制器是四旋翼飞行器的核心单元,对四旋翼飞行器起着至关重要的作用。本文采用STM32F405R6T6作为微控制器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。而STM32F2系列分为:高性能系列STM32F205/207和高性能系列STM32F207/217。STM32F4系列为STM32平台新增了众多高级外设:1.支持高速模式的USB OTG(需要连接外部PHY);2.支持音频级的架构:I2S 和USB外设(连同高级PLL和数据同步方案);3.视频传感器接口,8位或14位并行信号,工作在48MHZ可以取得高达48M字节/秒的数据率;4.灵活的静态存储器接口,速率高达60MHZ,扩展存储空间和连接LCD;5.加密/哈希处理器:3DES,AES 256/SHA-1.MD5,HMAC;6.3个SPI,时钟频率最快可达30M字节/秒;6个USART,最高波特率7.5M字节

/秒;7.3个12位ADC模块,每个模块采样率高达2M/秒;8.真正的随机数产生器;9.快速GPIO(翻转速率高达60MHZ)型号封装程序存储器定时器功能A/D转换器D/A转换器I/O 端口(大电流)串行接口供电电压(Vcc)(V)供电电流(Icc)温度Flash。为满足支持GPS口而选用STM32F4系列的STM32F405R6T6作为微控制器。

2.2.2 电机驱动控制

电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止,以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器,简称电调,英文electronic speed controller(ESC)。电调对应使用的电机不同,分无刷电调和有刷电调。

有刷电机的永磁体是固定不动的,线圈绕在转子上,通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机,顾名思义,这种电机是没有电刷和换相器的,他的转子是永磁体,而线圈是固定不动的,直接接到外部电源,问题就来了,线圈磁场方向怎么改变呢?事实上,无刷电机外部还需要一个电子调速器,这个调速器就是一个电机驱动,通过改变固定线圈内部电流的方向,保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥,持续转动得以延续。

(图2.2.2)

有刷电机工作可以不需要电调,直接把电供给电机就能够工作,但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调,否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电,输给无刷电机才能转动。

一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。

Crazepony电机驱动

无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的,而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机,接上电就能猛转,反着接它就反着猛转,就是这么简单。

Crazepony使用的是有刷空心杯电机,所以电机的控制属于有刷直流电机控制,相对于

无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机,转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机,很简单,只需要将信号的驱动能力增大,就能驱动有刷电机了。

那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管,中功率管的失败,最后选用的是场效应管(即MOSFET)SI2302。

最开始用的三极管作为电机驱动,采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧?”画了用三极管驱动的PCB板,发现电机越转越慢,根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流,好吧那我换个中功率管吧,集电极最大6A电流行了吧?”可以想象结果是不行的。

(图2.2.3三级管)

三极管作为一个古老的半导体先驱,它是以一个放大器件的姿态而出现的,它在线性区域特性集中,饱和与截止都是两种极端的工作状态,而作为电机驱动的话,我们只能选择它的这两种极端工作模式。

用三极管作为大电流负载的驱动管时,不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响,这是很严重的。自身耗散越来越大,电机和管子是串联关系,电池电压只有3.7V,电机就只能越转越慢了

在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的,所有特性都集中在开关状态的晶体管,场效应管,即MOSFET。通常的场效应管完全导通时,源漏极电阻都是mΩ级别的,即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管(SI2302),结果表现出了很好的驱动性能。

(图2.2.3)

每个场效应管接一个大电阻下拉,目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时,电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻,保证了场管输入信号要么是高,要么是低,没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态,要么转,要么不转。主控输出的是PWM波形,用于控制场效应管的关闭和导通,从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简单。

2.3 无刷电调

大四轴基本上都是使用的无刷电机,无刷电机控制必须配合无刷电调使用。

无刷电调的输入是直流,通常直接接航模电池。输出是三相交流,驱动无刷电机。另外无刷电调还有三根信号线,输入PWM信号,用于控制电机的转速。对于航模,尤其是四轴

飞行器,由于其特殊性,需要专门的航模电调。

(图2.3.1)

在四轴飞行器上需要专门的电调呢,其有什么特别的地方?四轴飞行器有四个桨,两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转,这样可抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小,四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨,只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力,保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常航模直升机用到的电机控制信号更新频率很低,而航模四轴飞行器用到的控制信号更新频率很高。

四轴为了能够快速反应,以应对姿态变化引起的飘移,需要高反应速度的电调,常规

PPM电调的更新速度只有50Hz左右,满足不了这种控制所需要的速度,且PPM电调MCU内置PID稳速控制,能对常规航模提供顺滑的转速变化特性,用在四轴上就不合适了,四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专用电调,IIC总线接口传送控制信号,可达到每秒几百上千次的电机转速变化,在四轴飞行时,姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击,依旧安然无恙。

2.2.4 螺旋桨

四轴飞行器需要安装4个桨片,如果4个桨叶都采用逆时针转动,则4个桨叶都会产生一个逆时针旋转的自旋扭力,使得被载体向右自旋;所以四轴飞行器为了抵消这种自旋扭力,设计时采用2个正桨和2个反桨,2个顺时针和2个逆时针的桨叶按照循环排列,并且一对桨叶向左旋转,而另一对桨叶向右旋转,这样就可以抵消掉桨叶转动时发出的自旋扭力,使飞行器受力均衡。正反桨区分如下:

正桨在桨片上以“L”字母标注,从正桨片正面看以逆时针旋转拨动气流;反桨在桨片上以“R”字母标注,从反桨片正面看以顺时针旋转拨动气流。

第三章总结与展望

3.1 总结

随着四轴飞行器的发展,其在军用、民用、商用都有较大发展空间。如2012年宾州大学的Vijay Kumar在TED大会上发表四轴飞行器的发展前景。。

文中四旋翼飞行器特殊性的构造,对飞行器做了初步的设计,对飞行姿态进行实时经过地面站成图像形式检测。利用出现传输模块对飞行器做各种姿态调整。课题最后对设计结果进行了初步测试,测试结果显示飞行器能实现基本飞行功能。

3.2未来的研究发展

四轴飞行器有着众多的研究方向及应用领域,从国内外对飞行器研究的情况和科技发展动态来看,其发展趋势主要有:

(1) 微型化:通过减少飞行器的体积和重量,减少能源消耗,从而提高飞行器的飞行时间和飞行的灵活度;

(2) 智能化:随着计算机技术的迅速发展,可以通过提高飞行器的自适应能力和自主飞行的能力,使其能够自动的执行更多更复杂的任务;

(3) 多功能性:依靠微电子技术的进步,使得飞行器可以拥有更多的功能,从而有能力执行各种复杂的操作和任务,应用于更多的领域。

(4) 采用新的能源:使用高效的新能源能够减少飞行器的重量,增加飞行器载重,从而延长飞行时间;

基于STM32的四旋翼飞行器设计

摘要 四轴飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,与普通飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点,所以在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景,非常适合在狭小空间内执行任务。 本设计采用stm32f103zet6作为主控芯片,3轴加速度传感器mpu6050作为惯性测量单元,通过2.4G无线模块和遥控板进行通信,最终使用PID控制算法以PWM方式控制电子调速器驱动电机实现了四轴飞行器的设计。 关键词:四轴飞行器,stm32;mpu6050,2.4G无线模块.PID.PWM

Abstract Quadrocopter has broad application prospect in the area of military and civilian because of its advantages of simple structure. Small size, low failure rate, taking off and landing ertically . etc. it is suitable for having task in narrow space. This design uses STM32f103zet6 as the master chip, and triaxial accelerometer mpu6050 inertial measurement unit, via 2.4G wireless module and remote control panel for communication. Finally using pid control algorithm with pwm drives the electronic speed controller to change moto to realize the design of quadrocopter. Key word : quadrocopter,stm32,mpu6050,2.4G wireless module ;pid; pwm

2015年全国大学生电子设计大赛四旋翼飞行器论文

2015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器(C题) 2015年8月15日

摘要 本文对四旋翼碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先,对飞行器各旋翼的电机选择做了论证,分析了实际升力效率与PWM的关系并选择了此样机的最优工作频率,并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。 本飞行器采用瑞萨R5F100LEA单片机为主控制器,通过四元数算法处理传感器MPU6000采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、传感器检测模块、电机调速模块、飞行控制模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号,构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试,可以达到设计要求。关键字:R5F100LEA单片机、传感器、PWM、PID控制。

目录 1系统方案 (1) 1.1电机的论证与选择 (1) 1.2红外对管检测传感器的论证与选择 (1) 1.3电机驱动方案的论证与选择 (2) 2系统控制理论分析 (2) 2.1控制方式 (2) 2.2 PID模糊控制算法 (2) 3控制系统硬件与软件设计 (4) 3.1系统硬件电路设计 (4) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2 飞行控制电路原理图 (4) 3.1.3电机驱动模块子系统 (5) 3.1.4电源 (5) 3.1.5简易电子示高模块电路原理图 (6) 3.2系统软件设计 (6) 3.2.1程序功能描述与设计思路 (6) 3.2.2程序流程图 (6) 4测试条件与测试结果 (7) 4.1 测试条件与仪器 (7) 4.2 测试结果及分析 (7) 4.2.1测试结果(数据) (7) 4.2.2测试分析与结论 (8) 附录1:电路图原理 (9) 附录2:源程序 (10)

四旋翼飞行器论文(原理图 程序)..

四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心,由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪,传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块,瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息,通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上,将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路,即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制,具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。

目录 1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 - 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 - 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 - 2.2 PID控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 - 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -

四旋翼设计报告

四旋翼自主飞行器(A题) 摘要 四旋翼飞行器是无人飞行器中一个热门的研究分支,随着惯性导航技术的发展与惯导传感器精度的提高,四旋翼飞行器在近些年得到了快速的发展。 为了满足四旋翼飞行的设计要求,系统以STM32F103VET6作为四旋翼自主飞行器控制的核心,处理器内核为ARM32位Cortex-M3 CPU,最高72MHz工作频率,工作电压3.3V-5.5V。该四旋翼由电源模块、电机电调调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行姿态检测模块是通过采用MPU-6050模块,整合3轴陀螺仪、3轴加速度计,检测飞行器实时飞行姿态,实现飞行器运动速度和转向的精准控制。传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块,在动力学模 型的基础上,将四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID 控制回路,即位置控制回 路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制,具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。 关键词:四旋翼飞行器;STM32;飞行姿态控制;串口PID

目录 1 系统方案论证与控制方案的选择...................................................................- 2 - 1.1 地面黑线检测传感器...................................................................... .............- 2 - 1.2 电机的选择与论证...................................................................... .................- 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证...................................................................... .- 2 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计...................................................................- 3 -

电子设计大赛四旋翼设计报告最终版

四旋翼飞行器(A 题)参赛队号:20140057号

四旋翼飞行器 设计摘要: 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器,与固定翼无人机相比,它具有体积小,垂直起降,具有很强的机动性,负载能力强,能快速、灵活的在各个方向进行机动,结构简单,易于控制,且能执行各种特殊、危险任务等特点。 因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察、灾害现场监视与救援等。多旋翼无人机飞行原理上比较简单,但涉及的科技领域比较广,从机体的优化设计、传感器算法、软件及控制系统的设计都需要高科技的支持。 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它使用直接力矩,实现六自由度(位置与姿态)控制,具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性。此外,由于飞行过程中,微型飞行器同时受到多种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,模型准确性和传感器精度也将对控制器性能产生影响,这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难。 因此,研究既能精确控制飞行姿态,又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。

一、引言: 1.1 题目理解:四旋翼飞行器,顾名思义,其四只旋转的翅膀为飞行的动力来源。四只旋转翼是无刷电机,因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器的飞行性能起着决定性的作用。在本次大赛中,需要利用四旋翼飞行器平台,实现四旋翼的起飞,悬停,姿态控制,以及四旋翼和地面之间的测距等功能。 1.2 设计思路:为了满足飞行器的设计要求,要使用以微控制器为核心的控制系统,使本系统以MC9S12XS128模拟出控制信号,用STM32 MMC10接收模拟信号,然后翻译出模拟信号,利用加速度与陀螺仪传感器采集飞行器的飞行数据,加以闭环调控和精准的控制算法。进行上升、下降以及悬停等动作。 1.3 特点:本飞行器脱离遥控器控制,用微处理器实现整个飞行过程全自动控制,控制精度高。 二、方案设计: 系统主要由STM32模块,微处理器MC9S12XS128模块,电源模块,电机模块,超声波模块,加速度陀螺仪模块等构成。 系统总体框图如下图(图2.0): STM32 MMC10 四路 PWM 通道 电调 无刷电机 高度显示数码管 信号接收 MC9S12XS128 GPIO 模块 时钟 模块 超声波传 感器 电源 图2.0 其中微处理器MC9S12XS128模块的外围电路见附录一2.1 控制系统选择方案:

四旋翼直升机的动力学原理

冯如杯论文 《四旋翼飞行器的设计与控制》 院(系)名称机械工程及自动化学院 作者姓名薛骋豪 学号35071422 指导教师梁建宏 2008年3月22日

四旋翼飞行器的设计与控制 薛骋豪 摘要 四旋翼直升机,其主旋翼分成前后与左右两组,旋转时方向相反,因此与一般直升机最主要的不同点为四旋翼直升机不需要用尾旋翼来平衡机体。因为四旋翼直升机为不稳定系统,因此需利用旋转专用的感测器:陀螺仪来感知机身的平衡程度并将讯号传送至微控制器,再通过微控制器内部程序的运算产生控制信号来控制机体上四个旋翼的转速,以维持整个机身的平衡促使四旋翼直升机能顺利飞行。 关键词:四旋翼、VTOL(垂直起降)、矩阵控制、 Abstract Quadrotor, its main rotor divides into with two about groups from beginning to end, in opposite direction while rotating, so Quadrotor and does not need to fasten the wing and having the balance organism for four with the end with the main difference of general helicopter. Whether four fasten wing helicopter stable system, need to utilize and rotate the special-purpose detecting device. The gyroscope comes to perceive balancing the degree and conveying the signal to the little controller of the fuselage, and then produce the control signal to control four rotational speed of fastenning the wings on the organism through the operation of the procedure within the little controller, impel four to fly smoothly while Quadrotor for the balance of maintaining the whole fuselage. Key words: Quadrotor、VTOL(Vertical Take-Off and Landing)、matrix control

基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飞行器设计

基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飞行器设计 摘要:本文基于WIFI无线传输技术,通过建立四旋翼飞行器的空气动力数学模型,结合实际需求分析,通过单片机总控,各功能模块有机整合,优化软硬件设计,完成最终制作调试,实现飞行器的自由巡航、悬停、降落和视频探测等功能,达到了预期设计目标。 关键词:WIFI;四旋翼;飞行器 1.引言 四旋翼飞行器是一种可以实现垂直起降的旋翼式无人飞行器,具有操控简单,体积小,机动性强,启动快,方便拍摄等优点,能及时地将诸如地震、矿难等特殊现场第一手资料传送回控制中心,帮助我们了解现场状况并作出正确判断[1]。 国外对旋翼式飞行器的研究较多且较深入,我国在该领域的研究起步较晚,成果相对较弱,并且侧重点有所不同,有的侧重数学建模,有的侧重自动控制与研发等等[2]。 本文于是针对自然灾害等特殊现场设计了一种基于WIFI的智能多功能四旋翼飞行器,采用独立控制的四旋翼,升力更大,同时可狭小空间内起降,还具有机械结构简单、机动灵活、操控性高及成本低等优势。 2.建立动力学模型 2.1 坐标变换 四旋翼飞行器的四个旋翼都高速旋转,其所受的空气动力比较复杂,要建立非常准确的空气动力学模型比较困难,为了简化四旋翼飞行器的数学模型,可忽略其弹性形变[3]。为了相对准确的描述飞行器运动状态,建立三维数学坐标系,也叫机体坐标系。OX轴指向地平面方向,由右手定则确定OY轴和OZ轴的方向。用原点O表示飞行器的重心,则OX轴指向飞行器的前方,OY轴指向飞行器的右方,OZ轴指向飞行器的上方。地面三维坐标系与机体坐标系之间存在三个欧拉角:偏航角ψ(沿Z轴方向)、滚动角φ(沿X轴方向)和俯仰角q(沿Y轴方向)。两个坐标系之间的关系如下: ,,(1) 可进一步的转换矩阵得: (2) 经计算可得如下坐标转换公式:

四旋翼飞行器实验报告

实验报告 课程名称:《机械原理课内实验》 学生姓名:徐学腾 学生学号:1416010122 所在学院:海洋信息工程学院 专业:机械设计制造及其自动化 报导教师:宫文峰 2016年6 月26 日

实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析,了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统; 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行,并了解无人机飞行大赛的相关内容,及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架; 2. 苹果手机一部; 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构; 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线; 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作; 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理; 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损; 3、安装电沲并装好安全罩; 4、连接WIFI,打开手机AR.FreeFlight软件,进入控制界面; 5、软件启动,设备连通,即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制; 2. 飞行之前,要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉; 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器,以免螺旋浆损伤手部; 4. 电量不足时,不可强制启动飞行; 5. 翻转特技飞行时,要注意飞行器距地面高度大于4米以上; 6. 飞行器不得触水; 7. 飞行器最大续航时间10分钟。

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理

四旋翼飞行器的结构形式和工作原理 1.结构形式 直升机在巧妙使用总距控制和周期变距控制之前,四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数,这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事,所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式,主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧,控制灵活,但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外,四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低,从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的,所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题,则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源,旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,旋翼1和旋翼3逆时针旋转,旋翼2和旋翼4顺时针旋转,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图1.1所示。

图1.1四旋翼飞行器的结构形式 2.工作原理 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化,这样会导致其动力部稳定,所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

电子设计大赛国赛_四旋翼自主飞行器A题

2013年全国大学生电子设计竞赛课题:四旋翼自主飞行器(B 题) 【本科组】 2013年9月7日

摘要 为了满足四旋翼飞行器的设计要求,设计了以微控制器为核心的控制系统和算法。首先进行了各单元电路方案的比较论证,确定了硬件设计方案。四旋翼飞行器采用了固连在刚性十字架交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器,以78K0R CPU內核为基础,围绕新的RL78 CPU內核演化而来的RL78/G13作为控制核心,工作频率高达32MHz,工作电压1.6V-5.5V,适合各种类型的消费类电子和工业应用, 满足8/16位微控制器的需求,有助于降低系统功耗,削减总系统的构建成本。采用9926B MOS管芯片的驱动直流电机,该驱动芯片具有内阻小、负载电流大、且控制简单的特性。通过采用MPU-6050整合的3轴陀螺仪、3轴加速器,并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎,由主要I2C端口以单一数据流的形式,向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库,可处理运动感测的复杂数据,降低了运动处理运算对操作系统的负荷,实现了四旋翼飞行器运动速度和转向的精准控制。通过HC-SR04超声波测距模块实现了对四旋翼飞行器飞行高度的准确控制。通过激光传感器,实现了四旋翼飞行器沿黑线前进,在规定区域起降,投放铁片等功能,所采用的设计方案先进有效,完全达到了设计要求。 关键词:四旋翼自主飞行器,E18-D50NK光电传感器,寻线,超声波,单片机。

四旋翼自主飞行器(B 题) 【本科组】 1系统方案 本系统主要由电源模块、电机驱动模块、光电循迹模块模块、超声波测高模块、姿态传感器模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 电源模块的论证与选择 方案一:采用线性元器件LM7805三端稳压器构成稳压电路,为单片机等其他模块供电,输出纹波小,效率低,容易发热。 方案二:采用元器件2596为开关稳压芯片,效率高,输出的纹波大,不容易发热。 方案三:采用线性元器件2940构成稳压电路,为单片机等其他模块供电,输出纹波小,效率高,不容易发热,综合性能高。 综合以上三种方案,选择方案三。 1.2 电机驱动模块的论证与选择 方案一:采用三极管驱动,由于输出电流很大,容易发热, 方案二:采用L298N电机驱动模块,通过电流大,容易发热,使得电机转速变慢,载重量变小。 方案三:采用场效应管9926B芯片组成的电机驱动模块,驱动能力好。能承受的最大电流为7.5A,符合要求。 综合以上三种方案,选择方案三。 1.3 光电循迹模块的论证与选择 方案一:采用CCD摄像头采集图片经过算法处理循迹,前瞻性比较好、循迹效果好,但是处理程序复杂、成本高。 方案二:采用红外对管,有效距离太短,不能满足实际循迹要求。 方案三:采用E18-D50NK光电传感器,这是一种集发射与接收于一体的光电传感器, 检测距离可以根据要求进行调节。探测距离远、受可见光干扰小、前瞻性较好、抗干扰性较好。

四旋翼飞行器建模与仿真Matlab概要

四轴飞行器的建模与仿真 摘要 具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽 的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状 态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描 述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上 是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿 真模型,模型建立后在 Matlab/simuli nk 软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型,Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissanee mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilia n app licati ons. In the dissertati on, the detailed an alysis and research on the rack structure and dyn amic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertatio n. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the camp aig n to make the research and an alysis. The four-rotor aircraft has many op erati ng status, such as climb ing, dow ning, hoveri ng and roll ing moveme nt, p itch ing moveme nt and yaw ing moveme nt. The dyn amic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertati on. On the basis of the above an alysis, modeli ng of the aircraft can be made. Dyn amics modeli ng is to build models un der the principles of flight of the aircraft and a variety of state of moti on, and Newt on - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.The n the simulatio n is done in the software of Matlab/simuli nk. Keywords: Quad-rotor ,The dynamic mode, Matlab/simulink 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器 ,它非常适合近地侦察、监视的任务, ,进行飞行器的建模。动力学建模 -欧拉模型建立的仿

四旋翼飞行器设计资料

四旋翼飞行器的设计 四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置.通过调节电机转 速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行 控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求. 一.微小型四旋翼飞行器的发展前景 根据微小型四旋翼飞行器发展现状和相关高新技术发展趋势, 预计它将有以下发展前景。 1 )随着相关研究进一步深入,预计在不久的将来小型四旋翼飞行 器技术会逐步走向成熟与实用。任务规划、飞行控制、无 G P S 导航、视觉和通信等子系统将进一步健全和完善,使其具有自主起降和全天候抗干扰稳定飞行能力。它未来的主要技术指标:任务半径 5 k m,飞行高度 1 0 0 m,续航时间 1 h ,有效载荷约 5 0 0 g ,完全能够填补目前国际上在该范围内侦察手段的空白。 2 )未来的微型四旋翼飞行器将完全能够达到美国国防预研局对 M A V基本技术指标的要求。随着低雷诺数空气动力学研究的深入,以及纳米和 M E MS 技术的发展,四旋翼 M A V必然取得理论和工程上的突破。它将是一种有 4个旋翼的可飞行传感器芯片,是一

任务与通信等子与能源、动力导航与控制、 ( 个集成多个子系统系统) 的高度复杂ME M S系统;不但能够在空中悬停和向任意方向机动飞行,还 能飞临、绕过甚至是穿过目标物体。此外,它还将拥有良好的隐身功能和信息传输能力。 3 )微小型四旋翼飞行器的编队飞行与作战应 在未来的战争中,微小型四旋翼飞行器的任务之一将是对敌方进行电子干扰并攻击其核心目标。单个微小型飞行器的有效载荷量毕竟有限,难以有效地完成任务,而编队飞行与作战不仅可以极大地提高有效载荷量,还能够增强其突防能力。 二.四旋翼飞行器的国内外研究现状 目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上都属于微小型无人飞行器,一般可分为3类:遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 (1)遥控航模四旋翼飞行器 遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Dfaganflyer公司研制的Dragan.flyer III和香港银辉(silverlit)玩具制品有限公司研制的X.UFO。Draganflyer III是一款世界著名的遥控航模四旋翼飞行器,主要用于航拍。机体最大长度(翼尖到翼尖)76.2cm,高18cm,重481.19:旋翼直径28cm,重69;有效载荷113.29;可持续飞行16--20min。Draganflyer III采用了碳纤维和高性能塑料作为机体材料,其机载电子设备可以控1书1]4个电机的转速。另外,还使用

四旋翼飞行器 设计报告

大学生电子设计竞赛 设计报告 摘要:本设计实现基于STM32开发板的十字形四旋翼飞行器,四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中,控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制;陀螺仪采用MPU6050模块,该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据,输出数据,用PID控制算法对数据进行处理,同时,解算出相应电机需要的的PWM增减量,及时调整电机转速,调整飞行姿态,使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机,超声波传感器进行测距,起飞后悬停在一定高度,打靶后降落。 关键词:四旋翼;PID控制;陀螺仪,姿态角,电机控制

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目录 1系统方案 (1) 1.1控制系统选择方案 (1) 1.2飞行姿态控制方案论证 (1) 1.3角度测量模块的方案论证 (2) 1.4高度测量模块方案论证.............................................. 错误!未定义书签。2理论分析与计算 (2) 2.1控制模块 .................................................................... 错误!未定义书签。 2.2机翼电机 .................................................................... 错误!未定义书签。 2.3飞行姿态控制单元 (3) 3电路与程序设计 (4) 3.1系统总体设计思路 (4) 3.2主要元器件清单......................................................... 错误!未定义书签。 3.3系统框图 .................................................................... 错误!未定义书签。 3.3.1系统硬件框图 ..................................................... 错误!未定义书签。 3.3.2系统软件框图 ..................................................... 错误!未定义书签。4测试方案与测试结果.. (5) 5结论 (6) 3

轴飞行器作品说明书

四轴飞行器 作品说明书 摘要 四轴飞行器在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器,四轴飞行器硬件结构简单紧凑,而软件复杂。本文介绍四轴飞行器的一个实现方案,软件算法,包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。校正加速度计采用最小二乘法。计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。 关键词:四轴飞行器;姿态;控制

目录 1.引言 (1) 2.飞行器的构成? (1) .硬件构成..............................................1? 机械构成 (1) 电气构成 (3) .软件构成 (3) 上位机 (3) 下位机........... . (4) 3.飞行原理........... ................................ (4) . 坐标系统 (4) .姿态的表示 (5) .动力学原理 (5) 4.姿态测量........... ................................ (6) .传感器校正 (6) 加速度计和电子罗盘 (6) 5.姿态控制 (6) .欧拉角控制 (6) .四元数控制 (7) 6.姿态计算 (7) 7.总结 (8) 参考文献 (9)

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。 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,介绍四轴飞行器的一种实现方案,讲解四轴飞行器的原理和用到的算法,并对几种姿态算法进行比较。 2.飞行器的构成 四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。比起其他类型的飞行器,四轴飞行器的硬件比较简单,而把系统的复杂性转移到软件上,所以本文的主要内容是软件的实现。? .硬件构成? 飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。 机械构成? 机架呈十字状,是固定其他部件的平台,本项目采用的是碳纤维材料的机架。电机采用无刷直流电机,固定在机架的四个端点上,而螺旋桨固定在电机转子上,迎风面垂直向下。螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨,从迎风面看逆时针转的为正桨,四个桨的中心连成的正方形,正桨反桨交错安装。 CA D设计机架如图: 整体如图2-1: 电气构成 电气部分包括:控制电路板、电子调速器、电池,和一些外接的通讯、传感器模块。控制电路板是电气部分的核心,上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片,负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。电子调速器简称电调,用于控制无刷直流电机。 电气连接如图2-2所示。 .软件构成

四轴飞行器毕业设计论文

毕业论文 基于单片机的四轴飞行器 夏纯 吉林建筑大学 2015年6月

毕业论文 基于单片机的四轴飞行器学生:夏纯 指导教师:许亮 专业:电子信息工程 所在单位:电气与电子信息工程学院 答辩日期:2015 年6月

目录 摘要 ...................................................................................................................................... ABSTRACT ........................................................................................................................... 第1章绪论......................................................................................................................... 1.1 论文研究背景及意义........................................................................................... 1.2 国内外的发展情况 ............................................................................................... 1.3 本文主要研究内容 ............................................................................................... 第2章总体方案设计....................................................................................................... 2.1 总体设计原理 ........................................................................................................ 2.2 总体设计方案 ........................................................................................................ 2.2.1 系统硬件电路设计方案............................................................................ 2.2.2 各部分功能作用.......................................................................................... 2.2.3 系统软件设计方案 ..................................................................................... 第3章系统硬件电路设计.............................................................................................. 3.1 Altium Designer Summer 09简介........................................................................ 3.2 总体电路设计 ........................................................................................................ 3.2.1 遥控器总体电路设计................................................................................. 3.2.2 飞行器总体电路设计................................................................................. 3.3 各部分电路设计.................................................................................................... 3.3.1 电源电路设计 .............................................................................................. 3.3.2 主控单元电路设计 .....................................................................................

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