四旋翼自主飞行器B题.docx
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四旋翼自主飞行器B题
2013年全国大学生电子设计竞赛
四旋翼自主飞行器(B题)
【XX组】
2013年9月6日
目录
1系统方案1
1.1平衡传感器的论证与选择1
1.2巡线方案的论证与选择1
1.3停机坪寻找方案的论证与选择1
1.4控制系统的论证与选择1
2系统理论分析与计算4
2.1控制理论的分析4
2.1.1四元数与欧拉角的理论计算4
2.1.2控制方式5
2.1.2对PID的分析5
2.2节能论证6
2.2.1电源的选择6
3电路与程序设计7
3.1电路的设计7
3.1.1R5F100LEA芯片引脚图7
3.1.2电机驱动电路8
3.1.3传感器电路原理图9
3.2程序的设计9
3.2.1程序功能描述与设计思路9
3.2.2程序流程图10
4测试方案与测试结果12
4.1测试方案12
4.2测试条件与仪器12
4.3测试结果及分析12
4.3.1测试结果(数据)12
12
4.3.2测试分析与结论12
附录:
源程序13
摘要
四轴飞行器为成品改造玩具四轴航模,采用瑞萨公司的R5F100LEA型号单片机产生PWM通过驱动电路来驱动四个无心杯电机的转动产生一个向上的力,通过四元数算法处理传感器MPU6050采集的机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。
通过激光收发来采集赛道信息来进行飞行器的循迹。
通过采集停机坪的信息进行降落。
经测试,系统基本可以完成题目要求。
关键字:
四周飞行器R5F100LEA四元数算法PID控制
Abstract
ThemodelaircraftBeenmodifiedbyFouraircrafttoysaxis,useofRenesasmicrocontrollertogeneratethePWM,R5F100LEAmodelthroughthedrivecircuittodrivefourcupsunintentionalrotationofthemotorproducesanupwardforce,throughthequaternionalgorithmprocessingsix-axissensorMPU6050collectionbalanceinformationofthebodyandclosed-loopPIDcontroltomaintainthebodybalance.TrackbylinearCCDtocapturethetrackinginformationfortheaircraft.Onthetubeonthen\tubethroughtheinfraredtheinformationcollectedAftertesting,thesystemcanbecompletedsubjectrequirements.
Keywords:
fourweeksAircraftR5F100LEAQuaternionsPIDcontrolalgorithm
1系统方案
本系统主要由中央处理单元,巡线模块,平衡控制单元,电机驱动模块,电源模块,停机坪信息采集单元组成。
根据题目要求,系统主要实现的是飞行器的平衡控制,并控制飞行器往返于A,B两点。
系统采用的四轴飞行器模型由成品航模改造。
采用瑞萨公司型号为R5F100LEA的16位单片机作为核心控制单元。
通过采用六轴传感器采集的数据返回给MCU后进行算法处理后通过PWM对四个电机进行闭环控制保持系统平衡。
1.1平衡传感器方案的论证与选择
方案一:
采用六轴传感器MPU6050进行处理,方案的优点是采集的数据多平衡控制可以多中平衡控制方案。
缺点软件设计复杂。
方案二:
采用精确的开环PWM控制,优点是程序设计简单。
缺点是控制效果很差,且需要大量实验得到合适PWM占空比。
综合以上方案:
采用方案一。
1.2巡线方案的论证与选择
方案一:
采用激光传感器,方案优点是经过简单硬件处理就可已得到数字信号方便单片机的处理。
缺点是不稳定。
激光的发射与接收较难校准。
方案二:
采用线性CCD,优点是采集速度快,稳定。
缺点是返回的是模拟信号。
不利于单片机的处理
综合以上方案:
采用方案。
1.3停机坪寻找方案的论证与选择
方案一:
采用寻线的传感器进行寻找降落,优点是减小四旋翼的负重利于系统的稳定控制。
缺点是传感器的安装方位不利于停机坪的寻找。
方案二:
采用红外对管进行寻找降落,优点是电路简单,程序简单。
方便系统寻找。
缺点是加大系统设计的复杂度。
综合以上方案:
采用方案二。
1.4控制系统的论证与选择
方案一:
对MPU返回的三个加速度值的突变进行积分控制,该方案设计简单。
但是对姿态的控制能力很低。
很难实现系统的平衡控制。
方案二:
采用四元数算数对MPU得到的六个数据进行处理。
得到对应的欧拉角并对其进行PID的闭环控制。
方案虽然设计复杂,但是控制效果好,飞行器运行相对
稳定。
综合以上方案:
选择方案二。
2系统理论分析与计算
2.1控制理论的分析
2.1.1四元数与欧拉角的理论计算
姿态解算的核心在于旋转,一般旋转有4种表示方式:
矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。
矩阵表示适合变换向量,欧拉角最直观,轴角表示则适合几何推导,而在组合旋转方面,四元数表示最佳。
因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量,所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。
下面介绍一下四元数,然后给出几种旋转表示的转换。
四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合,也可以理解为四维的向量。
这里用一个圈表示q是一个四元数(很可能不是规范的表示方式)。
四元数的长度(模)与普通向量相似。
下面是对四元数的单位化,单位化的四元数可以表示一个旋转。
四元数相乘,旋转的组合就靠它了。
旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。
这里创造一个运算q(w,θ),用于把绕单位向量w转θ角的旋转表示为四元数。
通过q(w,θ),引伸出一个更方便的运算q(f,t)。
有时需要把向量f的方向转到向量t的方向,这个运算就是生成表示对应旋转的四元数的(后面会用到)。
示四元数q对应的矩阵(后面用到)然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。
再次创造运算,用R(q)表。
多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。
“四元数表示”转“欧拉角表示”。
用于系统的姿态控制。
2.1.2控制方式
本次比赛的难点在于如何使飞行器在空中较好的实现平衡控制,然后使其进行巡线飞行和降落。
文中所研究的四旋翼结构属于X型分布即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称螺旋桨M1和M2与M3和M4关于Y轴对称如图1所示对于四旋翼的模型践行简单的数学物理建模。
通过陀螺仪返回的留个数据进行四元数拟合处理得到空间欧拉角。
然后返回给系统进行闭环PID控制。
图1
2.1.2对PID的分析
本设计中采用PID算法对飞行器稳定性进行控制。
它是一种线性控制算法,它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:
e(t)=r(t)-c(t)
将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量,对被控对象(频率或者相位)进行控制,其控制规律为:
u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]
电机转速的计算其中u(t)为控制器的输出,e(t)为控制器的输入,Kp为比例系数,Ti为积分时间,Td为微分时间。
简单说来,PID控制器各校正环节的作用如下:
比例环节:
偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。
积分环节:
主要用于消除静差,提高系统的无差度。
微分环节:
它能预测误差变化的趋势,从而避免了被控量的严重超调。
PWM波的周期20ms,高电平脉宽在0.9ms~2.1ms间变化;起始调速点时可变的,一般是把开机时测到的脉宽默认为0速度,然后脉宽增大,速度提高,具体计算如下
D=(t-1)/(2-1)*100%(1 其中D为占空比;t为高电平持续时间。 N=D*11.1*1900 其中N为转速,单位r/min;1.1为电源电压值;1900为电机参数: 电压每增加1伏,电机每分钟转速就提高1900转。 2.2节能论证 尽管四轴飞行器需要四个电机,电机的多方平衡控制,但我们也尽力保证系统的节能要求,在满足题目要求的同时尽量降低小车的功耗,做到低碳环保。 2.2.1电源的选择 采用1500MA的锂电池,锂电池电压平台高: 单体电池的平均电压为3.7V或3.2V,约等于3只镍镉电池或镍氢电池的串联电压,便于组成电池电源组,减小飞行器的负重。 3电路与程序设计 3.1电路的设计 3.1.1R5F100LEA芯片引脚图 主控芯片引脚及功能图如图4所示 3.1.2电机驱动电路 驱动电路框图如图5所示: 图5 3.1.3传感器电路原理图 1,MPU6050原理图如图6所示 图6 3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 1)按键选择; 2)飞行控制: 实现飞行器起飞、上升、下降、左转、右转; 3)稳定控制: 实现飞行器平稳飞行; 4)循迹; 5)拾取、投放铁片。 3.2.2程序流程图 1、主程序流程图 2、飞行控制子程序流程图 3、稳定控制子程序流程图 4测试方案与测试结果 4.1测试方案 测试条件: 检查多次,仿真电路和硬件电1、硬件测试: 在硬件电路组装前,先进行电子调速器和电机的单独测试,组装完成后用遥控器进行整体测试; 2、软件仿真测试: 利用上位机对程序进行仿真测试; 3、硬件软件联调: 对飞行器起飞、悬浮、降落、前进、后退、左转、右转进行测试,利用实际飞行区进行测试。 4.2测试条件与仪器 电路路与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。 测试仪器: 高精度数字示波器,数字万用表,四轴飞行器专用遥控器,实际比赛场地。 4.3测试结果及分析 4.3.1测试结果(数据) 4.3.2测试分析与结论 根据上述测试数据,结和实际实物调试,由此可以得出以下结论: 1、硬件模块测试正常,整体测试正常; 2、软件子程序测试正常,整体测试正常; 3、硬件软件联调测试正常,飞行器能够起飞、悬浮、降落、前进、后退、左转、右转,并能在飞行区正常飞行。 综上所述,本设计达到设计要求。 附录: 源程序 /**************************** 四元数算法转化得到欧拉角 ****************************/ #defineKp10.0f #defineKi0.008f #definehalfT0.001f floatq0=1,q1=0,q2=0,q3=0; voidoperatorname(intgx,intgy,intgz,intax,intay,intaz) { floatnorm; floatvx,vy,vz; floatex,ey,ez; floatq0q0=q0*q0; floatq0q1=q0*q1; floatq0q2=q0*q2;
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- 关 键 词:
- 四旋翼 自主 飞行器
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