关键词：
四旋翼飞行器；模糊控制算法；陀螺仪
Abstract：
Thefourrotoraircraftbythepowersupply,maincontroller,attitudecollector,motordriver,actuators,anticollisionringandsoonsixparts.IntegratedaswitchingpowersupplyadoptsLM2596Sontothesystempowersupply。
MaincontrollerforrenesasMCU（R5F100LEA>,ismainlyresponsiblefortocalculatingthespacecraftattitudeandofferfourroadPWMmotorrespectively。
GesturescollectortheAHRS-DEMOsixaxisgyroscopeasthespacecraftattitudefeedbackmechanism。
WithfourpiecesofMOStubestructures,high-powerpowerdrivetodrivemotor。
Thehollowcupmotoractuatorsforfourroad.ThisaircraftUSESthefuzzycontrolalgorithmtodealwiththeattitudedatatransformation,makestheaircraftflightattitudemorestable.Theaircrafthascompletedthebasicrequirementofthetopic.p1EanqFDPw
Keywords:
fourrotoraircraft；gyroscopefuzzycontrol；algorithmDXDiTa9E3d
一、系统方案论证
系统主要由单片机控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、空心杯电机和防撞圈等六部分组成,采用X型飞行模式,下面分别论证这几个模块地选择.RTCrpUDGiT
1.1姿态模块地论证与选择
方案一：
MPU6050三轴陀螺仪.MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量六个不同方向地加速、移动轨迹以及位置地测量装置.单轴地话,就只可以测定一个方向地量,那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺.它现在已经成为激光陀螺地发展趋向,具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点,但是其输出数据需要大量地浮点预算才能保证较高地精度,这样会影响单片机对最终地姿态控制地响应速率.5PCzVD7HxA
方案二：
光纤陀螺仪.光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础地敏感元件,由激光二极管发射出地光线朝两个方向沿光导纤维传播.光传播路径地变化,决定了敏感元件地角位移.光纤陀螺仪寿命长,动态范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小,重量轻,但是成本较高.jLBHrnAILg
方案三：
AHRS模块.AHRS模块包含了MPU6050（集成3轴陀螺仪和3轴加速度计>、HMC5883L<3轴地磁传感器）,BPM180气压高度计等模块.且AHRS模块内部已经进行一些数据处理,通过串口直接输出飞行器地当前姿态状态,减少了单片机进行姿态解算地运行时间消耗,进一步提高了单片机对飞行器地姿态控制.xHAQX74J0X
综合以上三种方案,我们选择了方案三.
1.2电源模块地论证与选择
飞行器地电机电源由7.4伏地航模专用锂电池直接提供,而瑞萨单片机地工作电压在3.3~5.5伏之间,所以系统需要进行一次电压转换,为控制核心供电,其质量直接决定了系统地稳定性.LDAYtRyKfE
方案一：
LM7805模拟电源模块.用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需地外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管地保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜.然而在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大地散热器<当然小功率地条件下不用）.当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏.Zzz6ZB2Ltk
方案二：
LM2596开关电源模块.LM2596系列是美国国家半导体公司生产地3A电流输出降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器<150KHZ）和基准稳压器<1.23v）,并具有完善地保护电路、电流限制、热关断电路等.利用该器件只需极少地外围器件便可构成高效稳压电路.提供有：
3.3V、5V、12V及可调<-ADJ）等多个电压档次产品.而且2596地功耗较小,效率较高,适合在航模中使用以提高续航时间,能满足该系统中电路要求.dvzfvkwMI1
方案三：
AMS1117.AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版,设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V.在最大输出电流时,AMS1117器件地压差保证最大不超过1.3V,并随负载电流地减小而逐渐降低.AMS1117地片上微调把基准电压调整到1.5%地误差以内,而且电流限制也得到了调整,以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成地压力.但是能提供地电流较小,且在大电流工作状态下易发热.而rqyn14ZNXI
综合以上三种方案,选择方案二.
1.3飞行方式地论证与选择
方案一：
十字飞行方式.四轴地四个电机以十字地方式排列,调整地时候应该对角调整,但是它灵活性和可调性有限.
方案二：
X行飞行方式.四轴地四个电机以X字地方式排列,调整地时候应该相邻两个调节,灵活性和可调性较高.X型飞行方式非常自由灵活,旋转方式多样,可以花样飞行,也可以做出很多高难度动作.EmxvxOtOco
综合以上两种方案,选择了方案二.
1.4电机驱动模块地论证与选择
方案一：
L298N驱动模块.采用L298N控制芯片,通过单片机I/O口输入改变控制端地电平,
即可实现5V直流电机正反转、停止地操作.运用此方案可以很好地利用单片机程序控制达到控制电机地目地.但是经过测试发现飞行器地四路空心杯电机同时运作时电流达到5~6安培,然而L298N承受不了如此大地电流. SixE2yXPq5
方案二：
4路MOS电流放大电路.通过MCU输出地信号控制MOS管地通断,达到放大驱动电流控制电机正转和反转.该电路简单,驱动能力强,体积小,非常适合作为小型空心杯电机地驱动.与L298N驱动相比较,具有驱动简单,控制方便,而且面积小,质量轻等优点.6ewMyirQFL
综合以上两种方案,选择了方案二.
二、系统理论分析与计算
2.1模糊控制算法地分析
由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推理,所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速地一致性及不同动作时各个电机转速地比例关系是飞行器按照期望姿态飞行地关键.经过反复测试发现用模糊控制算法处理姿态数据地效果比采用单纯地PID算法实现更加稳定可靠,但是需要处理地运算增多,使得单片机单位时间内进行姿态矫正地次数减少,从而一定程度上影响了系统地响应速度.kavU42VRUs
模糊控制算法是对手动操作者地手动控制策略、经验地总结.模糊控制算法有多种实现形式.采用应用最早、最广泛地查表法可大大提高模糊控制地时效性,节省内存空间,本自主飞行器地设计就采用了查表法.控制时针对于不同地飞行姿态将每个电机对应地运行状态分别存放在四个五行五列地数组中,系统运行时将从陀螺仪处解算出地姿态数据与数组中地数据对比,查找并映射到相应地隶属区间,然后在隶属地区间处取得最优解进行姿态矫正.y6v3ALoS89
算法分析如下：
如图1为算法转化分析图.
图1算法转化过程
如图2为隶属区间划分图.
M2ub6vSTnP
图2隶属区间划分图
针对不同状态设置地控制规则表格如下：
1）、第一路电机地控制规则如下
Roll轴
Pitch轴
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PwmPS
PwmPS
PwmPB
PwmPB
PwmPB
NS
PwmZ
PwmZ
PwmPS
PwmPS
PwmPB
Z
PwmNS
PwmZ
PwmZ
PwmPS
PwmPB
PS
PwmNS
PwmZ
PwmZ
PwmZ
PwmPS
PB
PwmNS
PwmNS
PwmNS
PwmZ
PwmPS
2）、第二路电机地控制规则如下
Roll轴
Pitch轴
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PwmPB
PwmPB
PwmPB
PwmPS
PwmZ
NS
PwmPB
PwmPS
PwmZ
PwmZ
PwmNS
Z
PwmPB
PwmPS
PwmZ
PwmZ
PwmNS
PS
PwmZ
PwmZ
PwmZ
PwmZ
PwmNS
PB
PwmNS
PwmZ
PwmNS
PwmNS
PwmNS
3）、第三路电机地控制规则如下
Roll轴
Pitch轴
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PwmPB
PwmZ
PwmNS
PwmNS
PwmNS
NS
PwmPS
PwmZ
PwmZ
PwmZ
PwmNS
Z
PwmPB
PwmPS
PwmZ
PwmZ
PwmNS
PS
PwmPB
PwmPS
PwmPS
PwmZ
PwmZ
PB
PwmPB
PwmPB
PwmPB
PwmPS
PwmPS
4>、第四路电机地控制规则如下
Roll轴
Pitch轴
NB
NS
Z
PS
PB
NB
PwmNS
PwmNS
PwmNS
PwmZ
PwmZ
NS
PwmNS
PwmZ
PwmZ
PwmZ
PwmPS
Z
PwmNS
PwmZ
PwmZ
PwmPS
PwmPB
PS
PwmPS
PwmZ
PwmPS
PwmPS
PwmPB
PB
PwmPS
PwmPS
PwmPB
PwmPB
PwmPB
2.2系统电流估算
经测得每个电机内阻约为6Ω左右,电机两端电压为7.4伏,则可得系统总电流约为：
安培.普通地电机驱动在此情况下发热快很容易烧坏,所以选用额定电流大地MOS管驱动电机.0YujCfmUCw
三、电路与程序设计
3.1电路地设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图3所示.
图3系统总体框图
3.1.2电机驱动子系统框图与电路原理图
图4MPU6050子系统电路
1、电机驱动子系统框图
图5电机驱动子系统框图
2、电机驱动子系统电路
图6电机驱动子系统电路
3.1.3电源
电源由滤波部分、稳压部分组成.为整个系统提供5V或者7.5V电压,确保电路地正常稳定工作.这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述.eUts8ZQVRd
图7电源子系统电路
3.2程序地设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要分为三部分,第一部分为无刷电机驱动部分,利用瑞萨单片机内部定时器地多路PWM输出功能,实现无刷电机驱动；第二部分为AHRS模块数据接收部分,利用瑞萨单片机内部串口USART0地接收中断,接收当前欧拉角输出；第三部分是姿态控制部分,根据接收到地欧拉角与目标欧拉角之间地差值,运用模糊控制算法,解算出相应电机地PWM调整量,设定定时地PWM输出,使飞行器姿态平衡.sQsAEJkW5T
2、程序设计思路
本设计地程序结合瑞萨单片机地特点,主要实现思路为：
单片机上电、延时等待电源稳定、减少电源波动对系统地干扰,之后利用定时器设定电机PWM周期、串口初始化,在串口中断服务函数中不断接收AHRS模块发送地数据,且为了数据地有效性设定特定帧头、状态位、结束位和校验位.在初始化结束后,设定目标姿态、进入循环函数,不断检测AHRS数据是否接受完成,一旦接收到有效地姿态数据,就进入姿态控制函数.在姿态控制函数内部,利用当前四轴飞行器地Roll<翻滚）和pitch<俯仰）数据,结合模糊控制算法,解算出不同姿态时,每个空心杯电机需要地调整量控制电机,这样不断地接受姿态数据,解算数据,调整量输出,使四轴飞行器稳定地飞行.GMsIasNXkA
3.2.2程序流程图
图8程序流程图
四、测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、硬件测试
首先,先把四轴飞行器分块拆解,用最小地最轻地元件和电路板按照配重地需要安装在四轴飞行器上,并安装上保护圈.再用物理方法测量重心,使其重心维持在四轴飞行器地中心.TIrRGchYzg
通过电源对做好地电压转换器进行测试,使其稳定在单片机地工作范围,尽量使其保持稳定.,
2、软件仿真测试
在调试程序之前,先用示波器观察瑞萨单片机PWM输出,并用程序模仿飞行器地飞行方法,通过对其仿真来测试PWM地稳定度.7EqZcWLZNX
AHRS模块<9轴姿态仪）配合电脑串口调试助手进行数据地查看,方便调试.
3、硬件软件联调
通过单片机编程,模仿出PWM,并测量是否能通过电机驱动来是飞行器起飞,通过多次测试,找出飞行器起飞时地PWM值.lzq7IGf02E
AHRS模块<9轴姿态仪）通过串口向单片机发送数据,并在电脑上利用串口接收,检测数据是否正确,通过软件编程针对显示地数据进行修改.zvpgeqJ1hk
同过AHRS模块<9轴姿态仪）使四轴飞行器稳定地起飞,并悬停在空中；再进行测试,使四轴飞行器前进和后退；最后进行降落地测试.NrpoJac3v1
通过超声波地测量使其悬停在20cm地空中,在进行前进后退地校准,使其飞行足够准确,之后进行对引导线地识别,使飞机平稳前进.1nowfTG4KI
最后通过通过对直径为20cm地黑圆圈进行测试,使其测量到,并使四轴飞行器降落在黑色圆圈内.
4.2测试条件与仪器
测试条件：
在飞行场地进行多次飞行测试到达目地地地时间和偏离目地地地情况.
测试仪器：
M尺,秒表.
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果（数据>
测试结果好下表所示：
<单位/s）
时间
0.9
1.1
1.4
1.8
偏离距离
50
42
32
20
<单位/cm）
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,可以得出以下结论：
1、测量地最大时间符合设计所规定地时间.
2、飞行器在空中飞行时间越长,控制性能越好,飞行越稳定,飞行器降落时偏离目标距离越短.
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