四旋翼飞行机器人的设计与制作.doc
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四旋翼飞行机器人的设计与制作.doc
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毕业设计(论文)
四旋翼飞行机器人的设计与制作
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Four-rotorflyingrobotdesign
andproduction
毕业设计(论文)
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I
摘要
四旋翼飞行机器人它拥有着四个可以旋转的旋翼,属于多旋翼飞行机器人。
四旋翼飞行机器人具有着两组对称着分布的旋翼。
它是控制着两组对称的旋翼转动速度,而不是机械结构来完成着各种各样的飞行举动行为。
四旋翼飞行机器人是一种外型新颖、功能优越的可以垂直起降的飞行机器人,结构简单、没有机械结构、飞行比较平稳方便。
然而可以应用在人类无法接触到的一些复杂恶劣的环境当中去。
在很多行业都有涉及到了,比如遥感勘测、军事侦察、喷洒农药、实时监控中,四旋翼飞行机器人及多旋翼飞行机器人已经得到了很广阔的应用在各个方面,并且也形成了相关产业。
四旋翼飞行机器人还具有飞行姿态控制过程复杂、非线性控制、控制数量多等这些特性。
此次课题在综合了四旋翼飞行机器人的现状、技术与应用的基础之上,为了完成四旋翼飞行机器人造价低造型微的原则,按照它的数学模型以及控制系统的功能要求,完成了四旋翼飞行机器人的飞行姿态控制、姿态数据的获取和飞行姿态解算于MCU上。
硬件上使用的是stm32系列STM32F103C8T632位处理器作为主控制器负责分析处理数据,依照姿态运算得出来的结果,输出电机的控制信号;采用场效应管驱动电路来驱动的心杯电机;检测姿态信息的惯性测量单元mcu-6050传感器模块用途;负责沟通实施飞行数据分析PC机与蓝牙模块。
整个的软件和硬件系统基此处于模块化设计的思想之上。
传感器数据使用的通用数字接口和数据在飞行机器人各传感器采集到的交流和沟通。
基于软件之上,飞行姿态控制软件的编写,在单片机上完成quaternion法和卡尔曼滤波算法,并把正确的姿态角也解算出来。
姿态角的闭环控制也可以使用控制进行,稳住了飞行姿态。
这次所设计的四旋翼飞行机器人可以很好的达到稳定飞行状态,并且抗震能力强。
飞行姿态控制算法可完美完成使四旋翼飞行机器人稳定的飞行。
关键词:
四旋翼飞行机器人;姿态控制算法;飞行控制系统;滤波;
Abstract
Four-rotorflyingrobotwhichhasafourrotatablerotor,aremulti-rotorflyingrobot.Four-rotorflyingrobotwithtwosymmetricaldistributionoftherotor.Itistocontroltherotationalspeedoftherotortwosymmetrical,ratherthanmechanicalstructuretoaccomplishavarietyofflightdoings.Four-rotorflyingrobotisanovelappearance,superiorfunctionscanVTOLflyingrobots,simplestructure,nomechanicalstructure,convenientflightisrelativelystable.However,itisusedinhumanscannotcomeintocontactwithsomeofthecomplexandharshenvironmentsweretogo.Inmanyindustrieswehaveinvolved,suchastelemetry,militaryreconnaissance,sprayingpesticides,real-timemonitoring,four-rotorflyingrobotandmulti-rotorflyingrobothasbeenaverybroadapplicationinvariousaspects,andalsoformedtherelatedindustries.Four-rotorflyingrobotalsohastheattitudecontrolprocessiscomplex,nonlinearcontrol,quantitycontrolmoreofthesecharacteristics.
Thesubjectofthepresentsituationisamixoftechnologyandapplicationoffour-rotorflyingrobotabove,inordertocompletethefour-rotorflyingrobotprinciplesoflowcostsmallshape,accordingtothefunctionalrequirementsofitsmathematicalmodelsandcontrolsystems,completedafour-rotorAttitudecontrolflyingrobots,attitudeandflightdataacquisitionattitudesolutiontotheMCU.Usethehardwareisstm32seriesSTM32F103C8T632-bitprocessorisresponsiblefordataanalysisandprocessingasthemaincontroller,theresultwasoutofoperationinaccordancewiththeattitudecontrolsignaloutputofthemotor;withFETdrivecircuittodrivetheheartsofthecupmotor;detectingposturemcu-6050inertialmeasurementunitsensormoduleusesinformation;responsiblefortheimplementationofflightdataanalysiscommunicationbetweenPCandBluetoothmodule.Theentiresoftwareandhardwaresystemsintheabovebasicideaofmodulardesign.UniversalDigitalInterfaceanddatasensordatausedinflyingrobotseachsensortotheexchangeandcommunication.Basedonthesoftware,attitudecontrolwritingsoftware,completequaternionandKalmanfilteringalgorithmsonthemicrocontroller,andtherightattitudeangleisalsosolvingit.Closed-loopcontrolattitudeanglecontrolcanalsobeused,tostabilizetheflightattitude.Thedesignofthefour-rotorflyingrobotcanbeagoodstableflight,andseismiccapability.Attitudecontrolalgorithmcancompleteaperfectfour-rotorflyingrobottomakestableflight.
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KeywordsFour-rotorflyingrobotattitudecontrolalgorithmflightcontrolsystemextendedKalmanfilter
目录
摘要 II
Abstract III
1.绪论 1
1.1选题背景 1
1.2.国内与国外分析情况探究 3
1.3四旋翼飞行机器人在技术上存在的问题和其突出点 4
1.3.1四旋翼飞行机器人它有哪些突出点 4
1.3.2四旋翼飞行机器人的技术难点 4
1.4小结 5
2.四旋翼飞行机器人的基本概况和它的剖析算法 7
2.1飞行机器人基本概况 7
2.2四旋翼飞行机器人的航姿 12
2.3滤波 15
2.3.1卡尔曼滤波 19
2.3.2互补滤波算法 20
3.四旋翼飞行机器人的软硬件系统架构 22
3.1硬件结构框图 22
3.2硬件设计 22
3.2.1飞行控制器 22
3.2.2电调 24
3.2.3无刷电机 24
3.2.4电池 25
3.3软件框图及基本原理 26
4.飞行器的软件研究 27
4.1原始化的过程 27
4.2quaternion及它的姿态解算的算法 29
4.2.1quaternion运算及quaternion转欧拉角 29
4.2.2quaternion运算流程 31
4.3PID的计算方法和它的参数控制 32
4.3.1PID算法的基本理论 32
4.3.2四旋翼飞行机器人的调节基本理论 32
4.3.3四旋翼飞行机器人参数的整合 33
4.4本章小结 35
5.总结 36
致谢 37
参考文献 38
V
1.绪论
1.1选题背景
四旋翼飞行机器人也叫做为四旋翼直升机,有着四个旋桨十字交叉飞行机器人。
四旋翼飞行机器人是微型飞行机器人的其中一种。
它采用一四转子发动机的飞行引擎,其体积比较小,重量又比较轻,所以我们可以很容易的携带,和无人飞行机器人的使用可以携带有效载荷,它还有着具备自主导航飞行能力。
作为一个有着飞行的稳定性,它可任意角度灵活的飞行机器人运动,它在我们的生活中越来越广泛的被应用,帮我们解决了许多麻
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- 四旋翼 飞行 机器人 设计 制作
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