四旋翼飞行器开题报告.docx

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四旋翼飞行器开题报告

电子工程设计开题报告

（2）

学院：

电气工程与自动化学院

专业：

自动化

设计题目:

四旋翼飞行器

指导老师：

2015年11月

一、课题提出的背景

1.四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视、航拍、农业播撒任务。

国外某些科技公司，如亚马逊，正在开发研究利用多旋翼飞行器进行快递投送等自动化的物流业务，可见其具有广泛的军事和民事应用前景。

但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量、非线性等比较复杂的特性。

因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。

四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:

爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。

本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。

本文限于作者能力未对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型，在一定姿态角度内近似将其看作线性系统，以方便使用PID控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。

2.本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案,设计了四旋翼飞行器的机械结构,对其进行了模块化设计。

系统选用STM32开发板作为主控芯片，对MPU-6050芯片采集到的三轴角度和三轴角速度数据进行PID算法处理，通过输出相应的PWM占空比对电机进行控制，从而达到控制飞行器不同的飞行姿态。

同时利用超声波传感器来实时检测飞行器与地面的距离，并不断地进行调整以此保证飞行器能达到所需的要求。

2、课题研究的内容及目标

2.1设计目标及面向对象

2.2设计方案

本系统主要由控制模块、高度测量模块、电机调速模块、角速度和角加速度模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

2.3控制系统的选择

STM32开发板作为主控模块来控制飞行器的飞行姿态与方向。

2.4飞行姿态控制的论证与选择

方案一：

单片机将从MPU-6050中读取出来的飞行原始数据进行PID算法运算，得到当前的飞行器欧拉角，单片机得到这个欧拉角后根据欧拉角的角度及方向输出相应的指令给电调，从而达到控制飞行器平稳飞行的目的

方案三:

采用全桥驱动PWM电路。

这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状

态，提高使用效率实现电机转速的微调。

并且保证了可以简单的方式实现方向控制。

基于上述理论分析，选择方案三。

2.5电机的选择

方案一：

采用有刷电机。

有刷电机采用机械转向，寿命短，噪声大，产生电火花，效率低。

它长期使用碳刷磨损严重，较易损坏，同时磨损产生了大量的碳粉尘，这些粉尘落轴承中，使轴承油加速干涸，电机噪声进一步增大。

有刷电机连续使用一定时间就需更换电机内碳刷。

方案二：

采用无刷电机。

无刷电机以电子转向取代机械转向。

无机械摩擦，无摩擦，无电火花，免维护且能做到更加密封等特点所以技术上要优于有刷电机。

考虑到各方面，我们采用无刷电机，选用新西达A2212无刷电机。

2.6高度测量模块的论证与选择

方案一：

采用bmp085气压传感器测量大气压并转换为海拔高度，把当前的海拔测量值减去起飞时的海拔值即得飞机的离地高度。

但芯片价格较贵，误差较大，而且以前也没用过这个芯片。

方案二：

采用HC-SR04超声波传感器测量飞行器当前的飞行高度。

考虑到对元件的熟悉程度、元件的价格和程序的编写，选择方案二。

2.7电机调速模块的选择

由于本四旋翼飞行器选用的是无刷直流电机，所以电调只能选用无刷电机的电调，自己做电调需要的时间长，而且可能不稳定，所以直接用的是成品电调，我们选用与新西达A2212电机配套的电调。

2.8角速度与加速度测量模块选择

方案一：

选用MMA7361角度传感器测量飞行器的的与地面的角度，返回信号给单片机处理，从而保持飞行器的平衡。

方案二：

用MPU-6050芯片采集飞行器的飞行数据，过采用MPU-6050整合的3轴陀

螺仪、3轴加速器，功能MPU-6000（6050）整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理（DMP:

DigitalMotionProcessor）硬件加速引擎，由主要串口端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。

免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。

综上，选择方案二。

三.设计与论证

3.1．控制方法设计

3.1.1．降落及飞行轨迹控制

3.1.2．飞行高度控制

飞行高度的采集采用超声波模块来实现，通过超声波发出时开始计时，收到返回信号时停止计时，单片机利用声音在空气中的传播速度与时间的数学关系来计算出飞行器距离地面的时间，从而控制飞行器的飞行高度达到我们所需的高度。

3.1.3．飞行姿态控制

通过MPU6050模块来测量当前飞行器的三轴角度和三轴角速度（只需要用到角度和角速度），利用从MPU6050中读取出数据，解读飞行器的飞行姿态，并经过PID算法来对数据进行处理，并将处理后的信号传给电调，控制电机的转速，从而达到控制飞行器的飞行姿态的目的。

程序流程图如图三。

3.2．参数计算

四旋翼自主飞行器控制算法设计

四旋翼飞行器动力学模型设计的小型四旋翼飞行器适用于室内低速飞行，因此忽略空气阻力的影响。

因此，简化

后的飞行器动力学模型为

⎧x=u4（sinθcosφcosϕ+sinφsinϕ）/m

⎪

y=u4（sinθcosφsinϕ-sinφcosϕ）/m

⎪

⎪

z=（u4cosφsinϕ-mg）/m

式1-1

⎨

l/IX

⎪

φ=u1

⎪

l/IY

⎪

θ=u2

⎪

ϕ=u3

/Iz

⎩

式中[x

[x

y

z]T为运动加速度，m

为飞行器质量，ϕ,θ,φ分别为机体的偏航角、俯仰角和横滚角，l为旋翼面中心到四旋翼飞行

器质心的距离，IX,IY,IZ为轴向惯性主矩。

该动力学模型对四旋翼飞行器的真实飞行状态进

行了合理的简化，忽略了空气阻力等对系统运行影响较小的参数，使得飞行控制算法更加简洁。

2.2PID控制算法结构分析在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置

-3-

控制回路和姿态控制回路。

算法结构如图B-1所示。

xyz

ϕθφ

飞

给

位置控制

姿态

行

电机控制

定

控制

器

位

机

置

体

姿态控制回路

位置控制回路

图2-1

四旋翼飞行器控制算法结构图

使用经典PID控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。

PID算法简单可靠，理论体

系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中

具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解。

控制回路包含了x,y,z三个控制量，因此设计3个独立的PID控制器对位移进行控制。

根据PID

控制器的原理，设kp,ki,kd分别为比例项、积分项和微分项系数，有

⎧

x=k

p

（x

⎪

⎪

y=kp（y

⎨

⎪

x=k

（z

⎪

p

⎩

-xd）+ki⎰

-yd）+ki⎰

-zd）+ki⎰

（x-xd）dt+kd（x-xd）

（y-yd）dt+kd（y-yd）

式1-2

（z-zd）dt+kd（z-zd）

其中，xd,yd,zd为航姿参考系统测量到的加速度积分得到的位移量。

姿态控制回路的作用是控制四旋翼飞行器的飞行姿态，使其实际姿态与设定的姿态一致。

姿态控制回路有偏航角、俯仰角和横滚角三个控制量，在此忽略三个通道之间的耦合效应，设计3个独立的PID控制

器对每个量进行独立控制。

⎧

/l

u=φ⋅I

⎪

1

X

式1-3

⎨u2=θ⋅IY/l

⎪

u

=ϕ⋅I'

⎩

3

Z

根据PID控制器的原理，设kp,ki,kd分别为比例项、积分项和微分项系数，有控制器方程如B-4。

⎧

（ϕ-ϕ

）+k

iϕ⎰

（ϕ-ϕ

）dt+k

（ϕ-ϕ

）

ϕ=k

pϕ

d

d

dϕ

d

⎪

⎪

（θ-θd）+kiθ⎰

式1-4

⎨

θ=kpθ

（θ-θd）dt+kdθ（θ-θd）

⎪

（φ-φ）+k

iφ⎰

（φ-φ

）dt+k

⎪

φ=k

pφ

dφ

（φ-φ）

⎩

d

d

d

其中比例项系数为3.3积分项系数为0.14微分项系数为3.2。

本系统最主要的参数计算是对MPU-6050等传感器采集的原始飞行数据进行处理。

单片机从MPU-6050芯片获取的数据是飞行器的三轴角速度和三轴角加速度，MCU对数据进行PID算法处理可以得到飞行器当前的飞行姿态，PID是比例,积分,微分的缩写。

比例调节作用：

是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：

是使系统消除稳态误差,提高无差度。

因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。

。

我们通过测试分别对X轴，Y轴，Z轴调整Kp,Ki,Kd的值。

先调节Kp的值，再调节Kd的值，最后再调整Ki的值，以此来保证飞行器的姿态，达到所需的要求。

四.理论分析与计算

4.1．Pid控制算法分析

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力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器按照期望姿态飞行的关键。

所以这里我们采用到pid控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。

Pid控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对，如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而达到调整的目的。

比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显，飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差，往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题。

所以通过pid控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定。

4.2飞行姿态控制单元

飞行器模拟图如下图，姿态控制是通过MPU6050传感器进行数据的采集，根据它采集回来的角度以及角速度等，采用十字型连接，这样的话能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态，进行分别控制。

这时如果飞机状态不平衡，那么哪边高就减小哪边电机的转速，相应的一边则加大电机的转速

下面还有对电机，电池和浆的各种搭配：

电池：

什么叫1S电池，2S电池，3S电池？

1S：

锂电1块3.7V充满是4.2V

2S：

就是2块锂电串联7.4V

3S：

就是3块锂电串联11.1V

S是代表串连，P是代表并。

3S就是代表3节电池串连，3P就代表3节电池并连。

电池的放电能力，最大持续电流是：

容量X放电C数

例如:

1500MA,10C,   则最大的持续电流就是=1.5X10=15安

如果该电池长时间超过15安或以上电流工作，那么电池的寿命会变短、还有电池的充满电压单片4.15-4.20合适，用后的最低电压为单片3.7以上（切记不要过放），长期不用的保存电压最好为3.9。

电机：

电机KV值：

电机的转速（空载）=KV值X电压；

例如KV1000的电机在10V电压下它的转速（空载）就是10000转/分钟。

电机的KV值越高，提供出来的扭力就越小。

所以，KV值的大小就与浆有着密切的关系，以下就这点提供一下配浆经验：

浆：

1060浆，10代表长的直径是10寸，60表示浆角（螺距）.

   前两位数表示直径，后两位表示螺距。

搭配：

一般电机与浆是这样配的：

3S电池下；KV900-1000的电机配1060或1047浆，9寸浆也可

              KV1200-1400配9050（9寸浆）至8*6浆

              KV1600-1800左右的7寸至6寸浆

              KV2200-2800左右的5寸浆

              KV3000-3500左右的4530浆

2S电池下；KV1300-1500左右用9050浆

              KV1800左右用7060浆

              KV2500-3000左右用5X3浆

              KV3200-4000左右用4530浆

浆的大小与电流关系：

因为浆相对越大在产生推力的效率就越高

   例如：

同用3S电池，电流同样是10安（假设）

   用KV1000配1060浆与KV3000配4530浆它们分别产生的推力前者是后者的两倍。

机型与电机、浆的关系：

一般来说：

浆越大对飞机所产生的反扭力越大，所以浆的大小与机的翼展大小有着一定关系，但浆与电机也有着上面所讲的关系。

例如用1060浆，机的翼展就得要在80CM以上为合适，不然的话机就容易造成反扭；又如用8*6的浆翼展就得在60以上。

再比如：

用4530浆做翼展1米以上机行否？

 是可以，但飞机飞起来会很耗电，因为翼展大飞行的阻力大，而4530浆产生的推力相对情况下小（上面浆的大小与电流关系有讲到）。

五．电路与程序设计

5.1系统组成

本四旋翼飞行系统由STM32开发板、MPU-6050芯片模块、超声波模块，蜂鸣器模块。

由STM32开发板经过PID算法处理外围传感器传回来的数据，用处理后的数据来控制飞行器的外围器件从而试飞行器能沿着指示线飞行。

5.2原理框图

5.3电路图

MPU6050电路图

电源模块电路

5.4程序流程图