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摘要…………………………………………………………………………………1
1引言……………………………………………………………………………
2四旋翼无人机的组成…………………………………………………………
2.1无人机系统的总体构成……………………………………………………
2.2四旋翼无人机的遥控系统……………………………………………………
2.3四旋翼无人机机载主控…………………………………………………
2.4四旋翼无人机机载传感器………………………………………………
3工作流程………………………………………………
3.1控制信号转换过程……………………………………………………
3.2控制程序执行流程……………………………………………………………
4硬件总体设计…………………………………………………………
4.1无人机在遥感航拍方面的应用……………………………………………
5结束语…………………………………………………………
参考文献……………………………………………………………………………
机电一体化技术在四旋翼无人机中的应用
姓名
(中国地质大学机械与电子信息学院机械设计制造及自动化武汉430074)
【摘要】:
无人驾驶飞机,简称“无人机”,是一种用电子设备控制的无人驾驶航空器。
与载人飞机相比,无人机具有体积小、方便灵活、成本低等特点。
无人机最早以“靶机”的身份出现在军事领域;
随着技术的成熟,生产成本的降低,逐步进入民用领域。
四旋翼无人机是最常见的一种民用无人机,它的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。
四旋翼无人机是一种机电一体化程度很高的装置,本文将介绍机电一体化技术在其中的应用。
【关键词】:
无人机;
四旋翼;
机电一体化
Applicationofmechatronicsinfour-rotorunmannedaerialvehicle
Yourname
(ChinaUniversityofGeosciencesSchoolofMechanicalEngineeringandElectronicinformationMechanicalDesignManufacturingandAutomationWuhan430074)
[Abstract]:
Unmannedaerialvehicles,referredtoas"
UAV"
,isanelectroniccontrolofunmannedaircraft.Comparedwiththemannedaircraft,unmannedaerialvehicleshaveasmallsize,convenientandflexible,lowcost.Unmannedaerialvehiclesasthefirst"
targetmachine"
inthemilitaryfield;
withthetechnologyismature,lowerproductioncosts,andgraduallyenterthecivilianfield.
Thefour-rotorUAVisthemostcommontypeofcivilunmannedaerialvehicle.Itsfourrotorsareusedasthedirectpowersourceoftheflight.Therotorissymmetricallydistributedinthefront,rear,leftandrightdirectionsofthefuselage.Thefourrotorshavethesamestructureandradius,therotor1andtherotor3arerotatedcounterclockwise,therotor2andtherotor4arerotatedclockwise,fourmotorsaresymmetricallymountedonthesupportendoftheaircraft,andtheflightcontrolcomputerandexternalequipment.Four-rotorunmannedaerialvehicleisahighdegreeofmechanicalandelectricalintegrationofthedevice,thispaperwillintroducemechatronicstechnologyinwhichtheapplication.
[Keywords]:
UAV;
four-rotor;
mechatronics
1引言
无人机从机体结构方面可以分为固定翼无人机和旋翼式无人机两大类,由于控制的复杂性问题,与固定翼式相比,旋翼式无人飞行器发展较为缓慢,早期的技术水平无法实现其自主控制功能.小型旋翼式飞行器根据其旋翼数量不同又可分为单旋翼式,共轴双旋翼式,和多旋翼等种类.其中,四旋翼无人机由于其体积小、结构简单、耗能低、安全性高、对飞行空间要求低等特点,成为国内外控制领域的研究热点,受到了越来越多的关注.
因为多旋翼无人机具有有动力、可控制、可执行多种任务等特点,自诞生以来,主要应用于军事方面,作为智能化和信息化的武器,无人机在侦察、监视、通信、远距离攻击等方面发挥了重要的作用。
近年来,无人机在民用方面的应用也越来越多,各国在无人机的民用方面逐渐开放。
无人机已经广泛应用于公共安全、应急搜救、农林、环保、交通、通信、气象、影视航拍等多个领域。
在过去几年,英国已经向130多家企业和政府机构颁发许可,美国签发了1400多份许可。
毫无疑问,随着技术的更新和发展,民用无人机将迎来井喷式的发展,应用前景十分广阔。
2四旋翼无人机的组成
2.1无人机系统的总体构成
民用无人机系统主要包括无人机机身、飞行管理与控制系统、数据链系统、发射/回收系统和电源等,其中,飞行管理与控制系统是无人机系统的核心,其对无人机的飞行性能起决定性作用。
飞行管理与控制系统一般分为机上和地面两个部分,机上部分包括姿态稳定与控制、飞行轨迹和导航控制、自主飞行控制、飞行安全控制及起飞与着落飞行控制等;
地面部分包括飞行监控与显示、飞行定位及飞行操作和指令系统等。
数据链系统主要保证无人机与地面飞控之间的的遥控指令传输和信息反馈,发射/回收系统则主要保证无人机起飞与着落的顺利。
以基于ARM处理器的四旋翼无人机为例,其飞行控制系统的结构如图2所示。
图2四旋翼无人机总体控制系统结构
2.2四旋翼无人机的遥控系统
机体自身的遥控系统包括3个部分,分别为遥控信号接收机、信号转换模块和高速电子调速器。
该系统实现的基本功能是接受遥控发射机发出的2.4GHz(亦有部分机型使用5.8GHz)的无线信号,并通过解算最终转换为电子调速器的输出信号,控制相应电机转速。
2.3四旋翼无人机机载主控
目前在无人机飞控计算机中,常用的嵌入式处理器包括X86、单片机、数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor)、ARM(AdvancedRISCMachine)等。
X86微处理器具有高性能、高可靠性、结构紧凑、低功耗的特点,能满足无人机飞控系统小型化、高集成度的要求。
单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中,一般以某一种微处理器内核为核心,是目前嵌入式系统工业的主流控制器。
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于实时地进行数字信号处理,特别是数字滤波、FFT及谱分析等应用领域,在运算量较大,特别是向量运算、指针线性寻址较多的智能化算法中,更能发挥优势。
ARM是目前公认的业界领先的32位嵌入式RISC(ReducedInstructionSetComputing,精简指令集计算机结构)微处理器,具有体系结构可扩展、功耗低、成本低和支持管理实时多任务等特点,故被广泛应用在四旋翼无人机的主控上。
2.4四旋翼无人机机载传感器
机载的主要传感器包括GPS全球定位系统、气压计、惯性测量单元、空速计、陀螺仪、声呐等。
可提供的位置信息包括:
经度、纬度、高度;
可提供的姿态信息包括3轴角度、3轴角速度、3轴加速度;
可提供的其他辅助信息包括气压值、温度、声呐测高值等。
表2四旋翼无人机组成部件表
部件名称
描述
飞行器机身
塑料成型机身
机载电子设备
信号转换器、电子调速器
动力系统
聚合物锂离子可充电电池
主控
ARM嵌入式控制器
GPS全球定位系统
获取经度、纬度和高度信息
气压计
获取气压信息
空速计
获取空气速度信息
陀螺仪
获取加速度信息
声呐
地空时提供高度信息
天线
GPS与Wi-Fi芯片
其他辅件
连接线、辅助架构等
3工作流程
3.1控制信号转换过程
控制信号转换分为三部分,如图3-1所示。
首先,无人机通过Bluetooth或Wi-Fi接收遥控器的控制信号,然后通过机身的主控计算出对应电机高电平时间长度差,最后求得电机转速对应电子调速器PWM信号高电平时间长度,把此电信号传给电机,完成遥控器对无人机的控制。
图3-1控制信号转换过程
3.2控制程序执行流程
控制程序在ARM嵌入式控制器上运行的流程图如图3-2所示。
程序首次开始运行后,最先进行传感器与各功能模块的自检,随后检测GPS全球定位系统、气压计、空速计、陀螺仪、声呐是否有数据发送过来,如果有,则读取数据,对四旋翼无人机的飞行姿态位置变量进行初始化,然后根据飞行期望轨迹初始化期望姿态位置变量.完成四旋翼无人机的状态变量初始化后,通过控制算法模块,可以得出四个电机的转速值,然后通过信号转换,将电机转速值转换为PMW信号的具体时间长度传给电机。
图3-2控制程序执行流程
4硬件总体设计
飞控系统由飞控计算机及其外围传感电路、执行机构组成,因此飞控计算机的主要功能包括:
提供稳定的电源供电系统、对各类模拟信号进行采样预处理、处理各种开关量以控制相应外围设备、进行控制律计算以控制和稳定无人机、操纵发动机的工作状态以决定飞行模态、实现飞行航路的预设置等[2]。
另外飞控计算机的特殊工作环境要求其满足工业级标准,工作温度在-40~+85℃。
根据飞控计算机的性能指标,系统总体设计框图如图4-1所示。
系统采用工业级ARM处理芯片为核心,其外围电源电路、复位电路、晶振电路保证系统正常工作,A/D电路完成对模拟信号的采样,D/A电路完成对数字量的转换,I/O口可设置输入输出。
以一文献资料中的总体设计为参照[3],可以画出系统总设计框图。
图4-1系统总体设计框图
4 结束语
随着各项关键技术的发展,四旋翼无人机逐步向高效、多功能化方向发展。
微小型四旋翼无人机作为一个高性能,低成本的作战平台,必将在未来的战争中发挥不可忽略的作用,特别在城市环境中具有非常独特的优势。
四旋翼无
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