内蒙古工业大学小型四轴飞行器位置控制及实现.docx
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内蒙古工业大学小型四轴飞行器位置控制及实现
学校代码:
10128
学号:
201
(
本科毕业设计说明书
题目:
小型四轴飞行器位置控制及实现
学生姓名:
学院:
机械学院
系别:
机电系
专业:
班级:
指导教师:
二〇一年六月
摘要
小型四轴飞行器结构简单、易于实现悬停,方便灵活,拥有六个自由度,同时拥有四个输入通道,但有6种表现状态,是欠驱动系统,它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。
如今广泛用在航拍、探测等领域,具有极高的研究价值与商业价值。
四旋翼飞行器的控制系统由姿态测量系统、飞行控制系统组成。
姿态测量系统实时采集传感器数据,准确估算飞行器的姿态信息。
飞行控制系统以控制指令
和姿态反馈作为输入,通过姿态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统,带动旋翼转动实现飞行的姿态调整。
本文设计用STM32为主芯片,通过对飞控板和遥控器两部分的设计研究实现无人机的位置控制。
以NRF24L01实现无线通信、MPU6050陀螺仪来检测无人机姿态,用互补滤波器原理来进行姿态的融合算法,四元数计算出飞机姿态,和遥控器传过来的期望的姿态做差,通过PID算出每个轴向的控制量,然后把三个值分别分配到四个电机上。
通过变化的PWM波形,改变四个电机的旋转速度,从而改变飞行器的力矩,调整飞行器的位置及。
关键词:
四轴飞行器;陀螺仪;PID;四元数
Abstract
Foursmallaircrafthastheadvantagesofsimplestructure,convenientandflexible,easytoachievehover,hassixdegreesoffreedom,alsohasfourinputchannels,butthereare6states,isanunderactuatedsystem,itisakindoffourpropelleraircraftandfourpropellerswerecrossedwithfourrotorstructure,relativethesamedirectionofrotation,dividedintotwogroups,twogroupsofdifferentdirectionofrotation.Unlikeconventionalhelicopters,thefourrotorhelicoptercanonlyperformvariousoperationsbyvaryingthespeedofthepropeller.Thecontrolsystemofthefourrotoraircraftconsistsofattitudemeasurementsystemandflightcontrolsystem.Theattitudemeasurementsystemcollectsthesensordatainrealtimeandestimatestheattitudeinformationoftheaerocraftaccurately.Flightcontrolsystemtocontrolcommandandattitudefeedbackasinput,thecontrolofeachmotoriscalculatedbyattitudecontrolalgorithm,andthensenttothemotordrivesystemtodrivetherotortoachievetheattitudeadjustmentoftheflight.
Inthispaper,STM32isusedasthemainchip,andthepositioncontrolofunmannedaerialvehicle(UAV)isrealizedthroughthedesignofthetwopartsoftheflightcontrolboardandtheremotecontroller.NRF24L01implementationofwirelesscommunication,MPU6050gyroscopetodetecttheUAVattitude,fusionalgorithmwithcomplementaryfilterprincipleforattitude,fouryuantocalculatethenumberofaircraftattitude,andremotetransmissionoverthedesiredattitudetodobad,bycontrollingtheamountofPIDcalculatedforeachaxis,thenthethreevalueswereassignedtofourmotor.BychangingthePWMwaveform,changetherotationspeedofthefourmotors,therebychangingthemomentoftheaircraft,adjustingthepositionoftheaircraftand.
Keywords:
fouraxisaircraft;gyroscope;PID;fourelementnumber
目录
引言1
第一章四轴飞行器的硬件设计2
1.1四轴飞行器飞控板部分设计2
1.1.1电机、电机驱动、浆叶3
1.1.2其它模块选型5
1.2四轴飞行器遥控板部分设计6
第二章四轴飞行器飞行原理7
2.1结构框架7
2.2运动姿态控制原理7
2.3飞行器数学模型10
2.3.1坐标系、坐标转换10
2.3.2无人机受力分析11
第三章四轴飞行器程序设计11
3.1控制方案12
3.1.1控制策略12
3.1.2PID控制12
3.1.3PID在四轴飞行器中的作用13
3.1.4PID增量算法14
3.1.5互补滤波器消除误差14
3.1.6四元数解算姿态15
3.2四轴飞行器测试15
结论17
参考文献18
谢辞19
引言
飞行器是由人控制并且可以离开地面的空间机械飞行物。
如今飞行器越来越受人关注,飞行器根据飞行领域分为三类:
大气层的航空器、太空的航天器、运载的火箭和导弹。
航空器包括直升机、四轴飞行器。
航天器有人造地球卫星,空间站等。
大气层的航空器又可以分为比空气轻的航空器和比空气重的航空器。
比空气轻的航空器通过空气浮力升空,所以也叫浮空器,比空气重的航空器是靠某些条件使自身升力大于重力而升空。
我所写的就是比空气重的航空器,旋翼航空器里的四轴飞行器。
四轴飞行器发展至今已有80余年的历史。
它是一种有动力装置、不载操作人员、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务、它利用空气动力来克服自身重量,并能重复使用的无人驾驶航空器。
鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势,其使用范围已拓宽到军事、民用和科学研究三大领域。
它属于多旋翼飞行器的一种,拥有四个旋翼,通过四个电机分别控制。
四轴飞行器最开始是由军方研究的军用新式飞行器,但近年随着传感器、单片机、电池、电机等多方面领域取得的成绩,使得四轴飞行器纳入人们研究的领域,如今许多行业都已经使用,如森林检测火情、广告宣传、军事领域、航拍等等。
并且飞行器上装载不同的传感器会有不同的火花磨出。
就以森林火情检测为例子,传统方法需要工作人员现场勘查,花费时间长,工作量大,人员动用多,花费资金多。
使用四轴飞行器,只需安装检测烟的传感器或者摄像头,不仅效率高,而且节约成本,空中飞行灵活方便。
四轴飞行器的研究对当代社会有着极大的意义。
如今,无人机越来越普通。
国内2003-2017年1月,与无人机相关专利申23245件,其中,发明型技术专利占57.39%,新型专利占37.48%,外观专利比占5.13%。
我国从事无人机单位有300家,规模大的160家。
有专家预计在2020年中国无人机销量可以达到29万架,从整个市场看,无人机不只是在航拍、军用方面,以后在快递领域,数据采集领域,灾后搜索领域都有巨大潜力。
本文飞控板选用STM32主芯片,STM32系列处理器是ST公司新推出的一款基于高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式处理器,应用专门设计的低功耗高速内核。
STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求。
基于STM32的飞行控制器与传统的飞行控制器相比可大大降低系统的开发成本、节约资源。
第一章四轴飞行器的硬件设计
本文从两大部分来描述飞行器,手控部分和机架部分。
手控部分包括STM32控制制芯片、遥控控制电路、无线传输装置等,机架部分有STM32主控芯片、陀螺仪、无线接收模块等。
1.1四轴飞行器飞控板部分设计
机架是整个飞行器的身体,有十字架型、X型、和其它奇葩造型如Y字型、H型、工字型等。
“x”模式与“+”模式本质上区别不大,只是定位正方向不同,自然计算时也不同。
如果把x正前方定位正方向,那么就是“+”模式,把x正前方偏45度作为正向,就是“x”模式。
“x”模式很难研究,适合商业高层的研究,“+”模式就简单了,主要是好分析,建议新手。
本文所设计的四轴飞行器结构采用最常见的对称分布结构[1]。
图1-1四轴飞行器机架
机架设计采用“+”模式铝合金材料,如图1-1所示。
它有以下几个优点,第一比较轻,第二比较便宜,第三“+”模式编程简单。
四个电机分别在四个角形成对称模式。
飞行机架中心位置焊接各种控制装置通讯装置。
机架大小理论上只要不影响4个螺旋桨旋转就可以,但螺旋桨旋转起来会产生气流,所以尽量不要太近,否则会影响平衡,这也是四轴为什么用2叶浆比多叶浆多的原因。
飞控板是无人机核心部分,用来控制接收信号,检测姿态。
飞控板种类很多,最出名的有深圳大疆、开源Ardupiot/APM系列、开源PX4/PIXHAWK系列等。
我采用STM32芯片作为小四轴的控制芯片,相对小型四轴来说性价比最高,储存速度、代码效率、运行速度都还不错,价格也相对便宜。
飞控板上可以搭载许多模块,最常见得是陀螺仪、加速计、通讯模块。
由于我们是小型无人机,所以不搭载摄像模块等其他模块。
四轴无人机和直升机也有很大区别,四轴无人机可以利用2对相反螺旋桨产生的力来平衡扭矩力,直升机则需要用特殊的尾浆来抵消反浆矩[2][3]。
四轴无人机确切的说,都是通过调节电机带动螺旋桨来运动,也是通过电机转速快慢带动螺旋桨转速快慢来调节姿态。
1.1.1电机、电机驱动、浆叶
(1)电机选型
选电机时首先要知道电机有哪2类,电机分为有电刷的有刷电机和无电机的无刷电机。
有刷电机原理是通过固定在电机里的2个电刷,电源的正负极被引入换向器,三线圈与转子上的线圈连接,与里面固定的磁块形成一种力,从而转起来。
有刷电机有如下几个不足,第一是耐久性不好,损耗大。
使用久了必须打开清理内部。
第二是发热大,寿命短。
由于有刷电机的自身结构问题,内部的电阻摩擦会产生热量,而内部永磁体热元件发热,其磁力肯定下降,机性能也下降,影响使用寿命。
第三是效率低。
电动机运动会产生热量,物体能量都会守恒,所以电能都转换成热能了,肯定减少效率了。
无刷电机一般采用轴承来减少转子两端的摩擦,具有以下优点。
第一,无电刷、低干扰。
无刷电机运动时不会产生火花,不会对通讯设备产生干扰。
第二是噪音低。
运转流畅,没电刷肯定会减少摩擦,运转流畅。
第三是不需要拆开维护,耐用。
少了电刷,不需要除尘什么的。
各有优缺点。
本文采用720空心杯电机,如图1-2所示,这就是空心杯电机,直径7毫米,长20毫米,把这四个固定在机架四角,而且能量转换不浪费是我们的核心思想,这个电机满足要求。
图1-2720空心杯电机
以前的电机都有转子,空心杯电机就是用到转子结构没有铁心,还有无污染、环保、节能特点。
所谓的720就是指直径7毫米,长度20毫米的电机。
它的电压为3.7V,转速为每分钟45000转,。
它的三个特点分别是:
1.转换率高,能量转换率可高达70%-90%,必然有节能性。
2.响应速度快,机械时间常数为10-28毫秒之间。
3.稳定性,转速波动小。
(2)电机驱动控制
电机运动肯定需要有个东西来控制,就是电机驱动来控制。
也称作电子调速器,简称电调,其效果是将飞行控制信号转换成当前大小,以控制发动机转速。
电调又分2种,无刷电调和有刷电调。
有刷电机里面永磁体是固定的,而线圈缠绕在转子上,因为电刷与换向装置的配合,让转子一直转动,把磁场方向改变。
无刷电机区别于有刷电机,是没有电刷和换向装置。
调速器是一个电机的驱动器,把内部电流改变,线圈方向固定不动,以保证磁力不消失,连续旋转继续。
有刷电机可以无电调,通电就可以工作,但无刷电机无电调就无法工作。
由于我们电机选用720空心杯电机,所以选用MOS管SI2302,PWM调速。
(3)浆叶选型
一般四轴飞行器常使用两叶浆,很小尺寸的可以使用三叶,现在浆叶最多的达到7叶,浆叶越多要达到平衡就越难。
螺旋桨也分正浆与反浆,如果都是正浆或都是反浆,会使无人机向一个方位飞,所以需要正反浆来抵消力保持平衡。
浆叶不是随便就可以用,它有2个参数,浆直径与桨螺距。
浆直径是就是浆叶的直径,浆越大力量就越大但是还主要转时候不能碰着。
我所选的4个浆是长度为56mm的浆。
1.1.2其它模块选型
我们选择陀螺仪与加速计传感器来检测无人机飞行姿态,小型无人机不需要地磁传感器,因为无人机在空中停时会自转,地磁传感器有可能受到电机干扰,结果是传感器失效,所以用陀螺仪与加速计好点。
(1)陀螺仪和加速计
陀螺仪是一种惯性测量器件,用来测量四轴飞行器旋转角度的,反应的是自身角度变化。
以前的陀螺仪体积很大,耗能也高。
加速器也叫重力感应器,是利用重力效应给飞行器一个水平基准,来获得倾斜度的。
我们都知道,斜面上一个物体的力可以分为水平方向与垂直方向2个力。
感应器可以把这些力转换为电信号,通过读取电信号获取倾斜角度,但这是对于静止物体,运动中的物体受许多因素影响,还需在自己拿捏,这也是应该研究的问题。
常用的角速度和加速度传感器为一体的模块有MPU6050。
所以我设计的是传感器模块内部拥有三轴陀螺仪和三轴加速器,如图1-3所示。
陀螺仪和加速计分工是不同的,一个测量角速度,另一个测量加速度。
不会因为飞行器飞行过程中震动而受影响,飞行器的角速度又是通过系统对角速度积分而得,所以信号会更加稳定。
陀螺仪不像电子罗盘,无需借助重力与磁场等外力,却可以自主发挥功能。
主要原理是,在无人机飞行过程中,可以解读不同角度来得知方向,依靠的是x、y、z轴做参考。
通常称为三轴角速度传感器,又称三轴陀螺仪。
它适用于短期的姿态的变化,而加速计适用于长时间,静态倾斜角度的变化,通常是三轴陀螺仪和三轴加速度计是一起运行的,一起运行时可以测量得到最准确数据。
图1-3MPU6050电路图
(2)通讯模块
通讯模块我们选择无线传输通讯,无线传输按速率分又可以分为2类:
高速数传模块、低速数传模。
低速模块的载频较低,一般在300mhz到900mhz这个频段,最高不大于150kb/s。
一般不选这个频,易受干扰。
高速模块传输速率可达500kb/s,所以一般都选用2.4GHz或更高载频。
经查阅可知这个频段干扰少。
我选择2.4G无线传输模块,查阅可知,数据输速率可达每秒1MB,比其他的好。
(3)电源模块
电源属于易耗品,主要为主控制器、LED灯与传感器供电,我选用的是3.7V锂电池。
电源方面也存在着许多问题。
太重会影响飞行体验,太轻电量又不足续航。
1.2四轴飞行器遥控板部分设计
遥控板部分包括STM32主控芯片、遥控器PCB板、2.4G模块、陀螺仪微调等。
如图1-4所示,遥控器原理图。
遥控通道可以控制无人机的运动方式,一个通道对应一个信号即是一个控制动作,这个设计需要有左右、悬停和着陆,所以需要四个通道。
遥控器布局不同,参数也不同,左手方向,右手举起称为美国手,反之称为日本手,根据自己的喜好,选择美国手或日本手。
我的无人机是左边方向,右边油门。
图1-4遥控器原理图
第二章四轴飞行器飞行原理
2.1结构框架
无人机主要由以下几部分组成:
(1)轴翼部分
这部分在四轴,有螺旋桨和电机等结果组成,并且中心对称,重量均衡,否则在会加大研究力度。
(2)飞行控制部分:
该部分安置在无人机中心,不会影响重心,包括姿态采集传感器、通讯装置、主控制器部分,用来控制无人机运动姿态。
(3)机身:
机身用来固定无人机各模块,使得各模块在指定位置运行。
四个螺旋桨在同一平面,中心安置部件,保持重心在中间的对称结构,这样就容易控制,相比传统直升机系统,无人机有以下特点:
1.四轴飞行器比直升机升力大,承受载荷能力也高,轴越多的无机的负载也会越大,控制也越难,所以选用四轴无人机。
2.属于对称结构,各个道之间耦合小。
由于结构是对称点,所以在设计的时候很方便。
(3)四轴对称结构可以容易研究控制,通过控制电机转速来实现姿态变化,不对称结构也会加大研究难度。
2.2运动姿态控制原理
四轴飞行器在空中通过改变螺旋桨的转速而改变飞行器的位置姿态,它受到自身的重力、螺旋桨转动时的升力,和转动时给机体的反扭矩力。
直升机如果没有尾浆,就会因为扭矩力影响产生自转,所以飞行器的螺旋桨产生的扭矩力很复杂。
所以四轴需要2个正浆2个反浆,它们转动方向不同,扭矩力抵消。
我们研究时首先确定前进方向。
我们把图中X轴方向定位正向,即飞机前进方向,Z轴方向为升降方向,Y轴反向为侧向,图中向上的箭头代表无人机上升,反之为下降。
如下面图组,我们设无人机电机1、电机3方向与2、4方向不同。
我们调节四个旋翼转速来研究位置和姿态。
(1)垂直运动:
如图2-1所示,因为2对电机相反转,所以平衡了反扭矩力,在四个旋翼同步旋转条件下,推动油门,使四个电机转速加快,使得自身重力没升力大,四轴无人机就可以向上运动,反之,减小四旋翼转速,让重力大于升力,就向下降落,当升力等于重力就悬停空中。
图2-1垂直运动
(2)俯仰运动:
如图2-2所示,加大旋翼1的转速,同时减小3的转速,2与4转速保持不变,这时无人机会绕Y轴旋转。
同理,减小1旋翼转速,加大3的,2与4旋翼保持转速不变,使无人机绕Y轴反反向旋转,这就是俯仰运动。
图2-2俯仰运动
(3)滚转运动:
如图2-3所示,滚转运动和俯仰运动道理一样,都是机体绕x轴旋转,也就是加大旋翼4转速,减小2的,旋翼1与3的不变,反之,绕X反向旋转。
图2-3滚转运动
(4)偏航运动:
如图2-4所示,其原理是通过转子的反力矩来实现反转矩大小和转速,当正常旋转时,四个转子会相互抵消,当转速不变时,会产生无人机转动的力矩。
当转子1和增加3、转子的2和4时,转子上的1和3上的抗扭力大于2和4,集体绕Z轴,实现偏航。
图2-4偏航运动
(5)前后运动:
如图2-5所示,加大旋翼3转速,减小1的,旋翼2和4不变,让机体前倾一定角度,机体会产向前的力,从而前进。
同理,减小旋翼3,增大1转速,机体向后偏移,会产生向后的力,从而向后运动。
图2-5前后运动
(6)侧向运动:
如图10所示,侧向运动与前后运动原理一样,加大旋翼4转速,减小2的,1和3不变,使机体向左斜侧一定角度,此时,机体会产生向左侧的力,机体向左运动同理向右运动。
图2-6侧向运动
2.3飞行器数学模型
2.3.1坐标系、坐标转换
坐标系的选择对于建立数学模型非常重要,坐标系的确定可以使问题分析成为简单。
我们把地面坐标定位E来考量无人机在空中的位置坐标,如图2-7所示,把o点定位无人机重心,B是无人机,x与y轴分别指向前方与左方,Z垂直水平面,建立坐标系[4]。
图2-7地坐标系E和机体坐标系B
图中E是地坐标系,可以由角度确定,就是选择3次坐标轴得到,偏航角是机体坐标系ObXbYbZb绕Zb偏转;俯仰角是机体坐标系ObXbYbZb绕Yb偏转;滚转角是指机体坐标系ObXbYbZb绕Xb偏转,机体坐标系通过三次坐标轴旋转与地面坐标系相吻合.机体坐标到地面坐标,我们可以通过以下公式来转换[5]。
R(φ,θ,ψ)=
2.3.2无人机受力分析
由于本身的对称性,无人机可以看成一个刚体,在地面坐标系下,根据牛顿第二定律分析合外力与和外力矩,可得到六自由度运动方程。
首先根据牛顿第二定律可以得出:
F:
无人机合外力,M:
无人机的外力矩,V:
速度,H:
动量矩。
无人机在飞行过程中受以下的力:
自身重力:
T
四个电机的升力:
F=Fg+FT+Fw+Fn
其中Fw为空气阻力,Fn为外部扰动,根据以上可以知道无人机三轴运动方程[6]:
第三章四轴飞行器程序设计
图3-1整体程序流程
如图3-1所示,为程序流程图。
我们选用C语言来编程,软件模块化设计包括传感器数据读取与姿态计算、PID控制、PWM信号采集、波形控制PWM波形输出。
程序设计主要包括MCU及传感器的初始化、信息采集、姿态处理和PID控制、四次数解算等[7]。
3.1控制方案
3.1.1控制策略
飞行器控制策略主要是在飞行过程中,可以根据遥控器指令实现位置准确移动的控制,飞行器各姿态由4个飞行通道单独进行设计,飞行控制器分解出的PWM信号和收集到的传感器数据后[8]。
会对2组数据进行融合,根据融合得出的PWM波形,改变四个电机转速,从而改变飞行器力矩,来确定实现位置。
为了使这些可以平稳实现,设计好PID控制器来控制电机速度是关键,来保证四轴无人机位置的控制及实现。
3.1.2PID控制
PID是一种基于自动控制的方法。
PID意义分别表示比例、积分和微分。
比如,我们有一个状态量X,在整个过程中,我们要输入一个控制量Y来改变这个状态变量X,并尽量接近目标[9]。
无人机在飞行中,我们的状态量是小四轴是要抵达的A点的航位,目标量是小四轴为到达该点应该飞行的目标航位,控制量就是对其过程进行控制,通过不断控制,使无人机到达指定位置。
参数的整定是PID控制的难度,但是,我们可以直接调整三个单元的参数,依据的是,系统的时间响[10]。
当要了解一个信号要放大还是缩小时,就用到比例环节了,它可以提高响应速度,减小稳态误差,但2者都要满足又存在问题,比如增加比例系数的话系统稳定性就会下降,系统有可能出现超调。
休克甚至发散,所以在调节比利时选择也需要权衡。
当错误信号不断叠加时,就用到积分环节了,积分增益越大,积分作用越强,稳态误差消除越快,但问题是容易出现积分饱和现像,从而导致系统的超调和时滞[11]。
微分环节D是一个领先的环节,提前我们控制量的减少或增加,避免过冲,振荡,从而增加了链路增益有助于提高系统的稳定性,以避免休克,但副作用。
差分元件将放大噪声信号[12]。
3.1.3PID在四轴飞行器中的作用
P控制的多
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