无人机小型机器人实践报告文档格式.docx
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2017年12月5日至2107年12月30日,共(4)周;
16-19
模块二:
小型机器人
实践时间:
2016年10月8日——2016年11月15日
实践地点:
机械馆机电实验室
指导教师:
唐艳华
实践目的:
1、了解小型机器人在工业实践中的应用;
2、学会组装、调试、控制工业小型机器人;
3、了解并学习小型机器人的控制程序,掌握编写、调试的基本方法;
4、掌握无人机的调试方法、飞行技巧并熟练使用地面站软件对无人机进行调试。
实践内容:
一、硬件部分
1、无人机简介
无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。
与有人驾驶飞机相比,无人机往往更适合那些太“愚钝,肮脏或危险”的任务。
无人机按应用领域,可分为军用与民用。
军用方面,无人机分为侦察机和靶机。
民用方面,无人机+行业应用,是无人机真正的刚需;
目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用,大大的拓展了无人机本身的用途,发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。
2、无人机结构及材料
无人机所需材料基本由下表所列的材料组成,其价格也一一列出来了,其中的核心部件就是Pixhawk2.4.6PX4PIX32位APM飞控,这是控制部件。
无人机所需材料
序号
名称
个数
1
F450-V2机架PCB沉金板
2
机臂
3
天行者SKYWALKER30A航模无刷电调
4
朗宇a2212kv1400
5
Pixhawk2.4.6PX4PIX32位APM飞控
6
2.4G飞机航模遥控器6通道富斯i6A
7
TCB航模电池2200mAh11.1V3s25c
8
B6平衡充电器
9
螃蟹王国遥控飞机75×
1.5mm双叶螺旋桨
20
无人机的安装需要电烙铁、焊锡、台钳、螺丝刀、扎带、电池扎带、魔术贴、香蕉头、热缩管、3M胶、XT60插头或T插胶等最基本的零件和工具。
1、焊接把热缩管套在电机的三根线上,然后把香蕉头焊到电机上,再把用热缩管套住香蕉头同样的方法把电调也焊好(如果已经有香蕉头了就不用焊了,跳过这一步)。
把四个电调另一端的两根粗线分别焊到机架中心板(大的那个)的焊点上(中心板上四个角标有正负极的矩形焊点,红正黑负)。
焊完之后发现一侧还有两个标有正负极的焊点,我们把电源线和飞控的供电模块一起焊到这个焊点上,电源线另一头是接电池用的,供电模块是接飞控的。
2、拿出飞控,在中心的位置有一个小箭头,它指向的是飞机的机头,所以一定不要粘歪了,然后用自带的3M胶粘在中间的位置。
然后按照下图把电调线到飞控上对应的插口里。
3、拿出遥控器的接收机,然后根据下图和遥控器说明书把飞控和接收机连好。
把供电模块插到X3上。
(飞行的时候实际是遥控器发射信号给接收机然后间接控制飞控。
)
4、都装完了,再组装机臂和脚架,机臂有两种颜色,用来区分机头,然后布线方式尽量简洁整齐,不要被螺旋桨打到!
盖上上盖板!
5、把GPS拆开,先把支架粘好然后装到盖板上,把罗盘的接线接到飞控的EXP插口,然后把GPS粘到支架顶部,注意粘的时候线出来的地方要朝着机头正前方。
然后把LED灯插在飞控的LED插口,另一端粘在机尾,这样飞机飞行的时候就能及时看到飞机的状态,也可以缠到支架上,总之能看见就好!
6、电机一共有四个,把电调分别接到电机上,三个头随便接。
下载飞控调参软件。
7、调完参数以后把线拔掉,先不要急着装桨,解锁遥控器用手触摸四个电机的转向是否符合规定。
3、起飞时注意事项
起飞前的准备,先打开遥控器再给飞机上电,等LED灯变绿灯慢闪,说明此时卫星数达到了7颗以上,可以使用GPS模式起飞了,但这之前先要校准罗盘,方法是先掰动控制模式开关来回掰动十次,发现LED灯变黄色,然后水平拿起飞机,机头朝外,原地转一圈,此时灯由黄变绿,然后让机头朝下再次转一圈,灯灭表明校准完成,否则失败请重新校准。
推油门的时候,感觉飞机马上要离地了的时候,稍快一点推一下油门让飞机一下子飞离地面,不要让它在地面上犹犹豫豫的,容易造成侧翻事故。
飞行中及时观察LED灯的状态,发现闪红灯时一般是低电压,就该换电池啦!
不要让电池过放否则会损坏电池甚至坠机!
安全问题:
1、新手建议飞GPS模式,手动模式不要轻易尝试。
2、起飞必须满足两个条件,缺一不可:
飞手状态良好、飞机状态良好。
3、不要往人多的地方飞,不要在城市中心位置飞,以稳为重,不要随意秀操作!
4、飞机起飞时周围十米内不要有人。
5、飞行中不要让飞机脱离视线,保持清醒,随时观察LED灯及时了解飞机状态。
6、万一出现姿态不正等失控现象,马上切换到手动模式尽量救机。
人身安全第一位!
二、地面站调试
1、固件的刷入
固件安装前先连接PIX的USB线到电脑(其它的可不用连接),确保电脑已经识别到PIX的COM口号后,打开MissionPlanner,在MP主界面的右上方端口选择下拉框那里选择带有PX4FMU标识COM口,然后波特率选择115200,先不点击connect连接按钮,固件安装过程中程序会自行连接。
在这里连接,固件安装过程中会出现错误提示。
接下去点击工初始设置,MP提供了两种方式升级安装固件,一种是nstall
Firmware手动模式,另外一种是Wizard向导模式,Wizard向导模式会一步一步的以对话方式提示你选择你对应的飞控板、飞行模式等参数,虽然比较人性化,但是有个弊端,向导模式会在安装过程中检索你的端口,如果检索后端口后,因电脑性能的差异,端口没有有效释放的话,后续的固件烧入会提示不成功,使用向导模式升级安装固件的话出错概率比较大,这里选用nstallFirmware手动模式安装。
点击工nstallFirmware,窗口右侧会自动从网络下载最新的固件并以图形化显示固件名称以及固件对应的飞机模式,在对应你飞机模式的图片上点击,MP就会自动从网络上下载该固件。
固件安装完成会出现Done的提示,点击右上角的connect连接按钮连接PIX,查看PIX实时运行姿态与数据。
2、部分调试
2.1加速度校准
依次选择“初始设置”=》“四旋翼”,进入加速度校准的页面,如下图所示:
点击“开始”,根据提示转动PIX,完成对飞控加速度的校准。
2.2、罗盘校准
对飞控加速度校准完成后,进入罗盘校准模块,模块界面如下
图示:
根据提示转动飞控,使机头通过所有的白点,完成外部罗盘的校准,同时还需要校准内部罗盘,若不校准,飞控黄灯双闪提示“系统错误,禁止解锁”,选择内部罗盘校准模块,用同样的方式完成校准。
点击保存数据,数值在-400—400之间显示绿色,为正常现象。
2.3、遥控器校准
遥控器校准是飞控起飞前的必要步骤。
点击“必要硬件”、“遥控器校准”,进入遥控器校准模块,其界面如下图所示:
遥控器选用的类型是左手油门,依次拨动遥控器上的油门、左右侧倾、前后、翻滚拨杆,观察地面站上的绿色条,绿色条的变化要与拨杆的一致,拨动完成选择点击Done。
MissionPlanner会显示校准数据的摘要信息。
一般数值在最小1100最大1900左右。
完成校准界面如下图所示:
2.4、Pixhawk指示灯的含义
红灯和蓝灯闪:
初始化中,请稍等。
黄灯双闪:
错误,系统拒绝解锁。
蓝灯闪:
已加锁,GPS搜星中。
自动导航,悬停,还有返回出发点模式需要GPS锁定。
绿灯闪:
已加锁,GPS锁定已获得。
准备解锁从加锁状态解锁时,会有快速的两次响声提示。
绿灯长亮加单次长响:
GPS锁定并且解锁,准备起飞
黄灯闪:
遥控故障保护被激活。
黄灯闪加快速重复响:
电池故障保护被激活。
黄灯蓝灯闪加高-高-高-低响:
GPS数据异常或者GPS故障保护被激活。
Pixhawk安全开关含义(蓝色LED)
快速,持续闪烁:
执行系统自检中,请稍等。
间歇闪烁:
系统就绪,请按安全开关按钮以激活系统。
常亮:
已经准备好解锁,可以执行解锁程序。
蜂鸣器指示灯状态排查
初始化,红蓝色闪光
未解锁时,GPS未锁定,蓝色闪光,一长声解锁音
未解锁时,GPS锁定,绿色LED闪亮,两短音
解锁时,GPS锁定,绿色LED常亮,一长音
解锁失败,两低音
ESC校准,红绿蓝LED闪光
无线电故障,黄色LED闪亮
电池故障,黄色LED闪亮,急促短音
GPS故障,黄色和蓝色LED闪亮
EKF惯导失败,黄色和红色LED闪亮
气压计故障,黄色和紫色LED闪亮
未插内存卡,红色LED闪亮
三、程序编写
1、姿态介绍
无人机控制部分主要分为两个部分,姿态控制部分和位置控制部分;
位置控制可用远程遥控控制,而姿态控制一般由无人机系统自动完成,流程如图所示。
姿态控制是非常重要的,因为无人机的位置变化都是由姿态变化引起的。
四旋翼无人机在飞行过程中,完全靠空气的反作用力推动无人机运动,控制过程是先根据目标姿态(target)和当前姿态(current)求出偏差角,然后通过角速度来修正这个偏差角,最终到达目标姿态。
通过编写相关程序,控制无人机在飞行过程中的姿态。
控制流程:
(1)预处理:
各参数的初始化。
(2)稳定roll-pitch的角速度。
(3)稳定roll-pitch的角度。
(4)稳定yaw的角速度。
(5)稳定yaw的角度。
角度有俯仰角pitch、偏转角yaw、翻滚角roll,示意图如下:
2、姿态控制程序
2.1、控制程序引用
主要的代码流程首先就是按照C++语言的格式引用C语言的main函数,对变量进行内存分配,即对姿态控制过程中使用到的变量赋初值:
2.2、姿态控制源码订阅
首先还是需要通过IPC模型uORB进行订阅所需要的数据。
需要注意的一个细节就是在该算法处理过程中的有效数据的用途问题,最后处理过的数据最后又被改进程自己订阅了,然后再处理,再订阅,一直处于循环状态即PID反馈控制器,最终达到所需求的控制效果,达到控制效果以后就把一系列的控制量置0(类似于idle),该任务一直在运行,随启动脚本启动,程序:
2.3、参数初始化
紧随上面的代码就是参数数据的获取,parameters主要就是在姿态控制中的这些数据都是私有数据(private),比如roll、pitch、yaw以及与它们对应的PID参数,并对三种飞行模式(stablize、auto、acro)下的最大姿态速度做了限制。
2.4、NuttX任务使能
2.5、塞等待数据
2.6、获取当前姿态
(1)判断姿态控制器的控制任务是否已经使能,检测通过hrt获取时间精度的所需时间,并且约束在2ms至20ms以内
(2)获取当前姿态数据
2.7、姿态控制
(1)获取控制数据
(2)姿态控制
1)首先就是通过uORB模型检测姿态
1)首先就是通过uORB模型检测姿态数据是否已经更新。
检测到更新数据以后,把数
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