基于APM飞控技术的定点投送飞行器毕业设计.docx

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基于APM飞控技术的定点投送飞行器毕业设计

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基于APM飞控技术的定点投送飞行器

摘要

四轴飞行器是微型无人飞行器的一种，装有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉，分为前后和左右两组（即对角线上为一组）。

两组螺旋桨的旋转方向相反，可以抵消反扭力矩。

螺旋桨具有固定浆距，飞行过程中只需改变四个轴的转速即可实现各种复杂运动。

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。

本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案，按照功能分别设计了姿态检测单元、姿态控制单元、执行单元和基于GPS的简单导航系统单元。

该系统能进行飞行器的常用控制操作，并能接收并分析出需要的GPS定位信息，与存储的定位坐标进行简易地自主导航，并在显示屏上模拟和显示。

本文主要参考国际上四旋翼开源项目,基于AVR8位单片机Atmega328p、MPU6050IMU模块进行了硬件选型、电路设计与制作、软件代码的编写及调试，最终实现较好的控制结果。

关键词：

四轴飞行器;APM飞控;PID控制器;ArduCopter;IIC总线;GPS导航;

Abstract

QuadCcpterisanunmannedMAV（MicroAirVehicle）,withfourpropellerswhicharecross-shaped,Dividedintotwopairsoflongitudinalandadiagonal）.Twopropellersrotatinginoppositedirections,cancounteracttheanti-torque.ThebladepitchItofpropellersisfixed,changingtherotationalspeedofthefourpropellerssimplytodocomplexmovementduringtheflight.Someforeigntechnologycompanies,suchasAmazon,isthedevelopmentandutilizationofmultirotoraircraftoftheexpressdeliveryandotherautomatedlogisticsbusiness,visibleitprospectsinmilitaryandcivil.Butthefourrotoraircraftcontroldifficult,thedifficultyliesinthevehicle,pitching,yawingmovementetc.Inthispaper,usingtheNewtonEulermodeltodescribethefourrotoraircraftflightattitude.Inthispaper,limitedabilityoftheauthordetailedanalysisandResearchonthefourrotoraircraftdonotstandstructureanddynamics,buttoacertainextent,simplifyingthemathematicalmodeloffourrotoraircraft,inacertainattitudeangleinapproximationasthelinearsystem,inordertofacilitatetheuseofPIDcontrolalgorithmforthecontroloftheaircraftintheairofthethreeEulerangle.

Thispaperpresentsthesystemdesignschemeoffourrotoraircraftweredesigned,accordingtothefunctionofattitudedetectionunit,attitudecontrolunit,anexecutionunitandasimplenavigationsystemunitbasedonGPS.Commonlyusedtocontroltheoperationofthesystemcanmaketheaircraft,andcanreceiveandanalysisofGPSpositioninginformationneed,andstoragelocationcoordinatesaresimplytheautonomousnavigation,andthesimulationonthedisplayanddisplay.Thispapermainlywithreferencetothefourrotoropensourceproject,AVR8SCMandMPU6050IMUmodulebasedonAtmega328parecompiledanddebuggedthe,designandmanufacture,circuitsoftwarecode,andeventuallyrealizethebettercontrolresults.

Keywords:

Quadcopter;APM（ArduPilotMega）;PIDcontroller;ArduCopter;

1绪论

1.1研究背景

四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。

因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外的研究热点。

作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。

无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。

无人机与普通飞机相比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。

在军事领域，无人机早己投入到实战使用中[1]。

无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。

例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。

在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。

在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。

例如，无人机可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。

因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。

按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。

两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动[2]。

与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活,能够满足多种用途,因此旋翼无人机具有更大的研究价值。

四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。

因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点[3]。

飞行控制器是四旋翼飞行器最核心的部分，飞行器通过飞行控制器与外界交互并做出反应，使得飞行器能够在没有外界操纵和干预的情况下自主飞行。

本文讨论了一种简单的基于GPS的四轴无人飞行器自主导航系统的实现，以应用当今越发兴起的物流行业的货品运输领域。

1.2国内外四轴飞行器自主导航系统发展现状

四旋翼飞行器的发展经历了两个阶段。

第一阶段是在20世纪初,1907年法国科学家CharlesRichet制造了一架小型的无人机,虽然不是很成功,但是他的学生LouisBrguest在其的指导下幵发了第一架载人四旋翼飞行器,其后来又研发出了的第二架原型机。

两架原型机都是由飞行员直接控制四个螺旋桨转速,由于操控过于复杂,进行的飞行试验都不是很成功。

在1921年,GeorgedeBothezat为美国陆军航空勤务部（UnitedStatesArmyAir）研发了一架实验性四旋翼飞行器,但是该项目仅仅进行了四年就由于机构过于复杂、控制困难而取消了。

1924年出现了世界上第一架能够完成超过一千米距离飞行的四旋翼飞行器Oemidien。

1957年,美国克莱斯勒汽车公司应美国陆军要求为其研发了VZ-7飞行器,促是由于控制过于复杂,美国陆军对这一项目渐渐失去了兴趣,使得这个项目也最终搁浅,至此四旋翼飞行器的发展陷入了低谷。

第二阶段从21世纪初开始至今。

进入21世纪以来,低功耗微处理器的处理能力越来越强,微机电系统（MEMS）技术的发展使得捷联式惯性导航系统越来越小,成本越来越低。

随着直流111机技术的发展,出现了许多体枳小转速高转矩大的直流电机,锂电池技术的发展使得钮!

电池储能密度加大同时放电电流也变大,这就使锂电池对大功率直流屯动机的驱动成为可能。

这些技术的发展使得以直流电机作为动力源的微小型飞行器进入了一个新的发展阶段。

四旋翼飞行器目前的研究主要有在高校科研机构、国际开源项目和科技公司的商业开发。

高校的四旋翼科研项目主要有:

瑞士桑联邦理工学院（EPFL）的OS4和OS4II，麻省理工学院（MIT）计算机科学和人工智能实验室（ACL）的Quadrocopter,宾西法尼亚大学的HMX4和佐治亚理工大学的CTMARS,斯坦福大学的Mesicopter。

开源项目主要有:

德国MikroKopter项目,megapirate,arducopter,multiwii。

比较成熟的商业四旋翼飞行器有:

美国Draganflyer公司研制的Draganflyer系列,德国Microdrones公司的MD4-200,德国AscTec公司的Pelican与Hummingbird系列[4]。

此外，更加贴近普通人的是亚马逊在网站介绍了一个还在亚马逊下一代R&D实验室研发的项目PrimeAir。

PrimeAir的目标是通过无人飞行器向消费者派发快件，派件用时缩减到半小时或更短。

据亚马逊方面的介绍，这些无人飞行器，能够飞离亚马逊旗下96间库房10英里（16千米）远的地方送货。

亚马逊所做的事情，就只是输入收货地的GPS坐标，装上货品，接下来的工作就不用他操心了，无人飞行器会在卸货之后，自动返回库房[5]。

图1-1亚马逊PrimeAir

1.3系统研究内容

随着电子商务的高速发展，带动着整个物流行业的逐步崛起，各大物流运营商正尝试寻找一种方便快捷的交通工具替代以往的传统运输方式。

目前无人飞行器的研究越来越受追捧，如国外的亚马孙，国内的顺丰快递等物流巨头正在积极研究无人飞行器的快递运输功能，以期能够提供更加快捷的运输服务。

通过无人飞行器向消费者派发快件，派件用时缩减到半小时或更短。

据亚马逊方面的介绍，这些无人飞行器，能够飞离亚马逊旗下96间库房10英里（16千米）远的地方送货。

亚马逊所做的事情，就只是输入收货地的GPS坐标，装上货品，接下来的工作就不用他操心了，无人飞行器会在卸货之后，自动返回库房。

本文拟选取兰州理工大学本部校区为实验测试区，基于GPS坐标定位技术、信息综合与决策控制技术、姿态检测与解算技术、基于PID算法控制技术和无线遥控技术，研究无人飞行器自助导航系统。

针对四轴无人飞行器的飞行原理，对遥控接收模块的PPM解码、电机驱动原理、传感器数据采集与传输原理和姿态解算原理进行深入研究和学习，通过融合上述关键性技术，在无线遥控模式下，采用天地飞6通道遥控器的4个通道，根据每个通道的高电平持续时间来判断通道遥杆的位置，从而起到控制输入的作用，单片机根据引脚电平变化中断来实现PPM高电平时间的读取，然后利用AVR的TimerCounter1和TimerCounter2输出对应的PWM波形控制电子调速器驱动电机。

在自动飞行模式即GPS模式下，控制器进行收集经纬度定位坐标和卫星时间，通过与存储的目的地坐标点进行比较而进行简单的导航。

另外，本文设计中最重要的一点是PID控制算法的研究，其主要功能是集合无线遥控的输入信息和测得的此时飞行器的空中姿态通过PID控制算法进行控制决策，产生控制输出，进而控制飞行器的飞行高度和飞行姿态，保证了飞行器飞行的稳定性和可靠性。

1.4研究难点和创新点

1.4.1难点

1.飞行器飞行姿态的控制

四轴飞行器有四个螺旋桨，即意味着有四个电机需要控制，根据动力学原理，这四个电机的转速不同的情况下，难以维持飞行器的飞行平衡，所以需要控制器能够实时的采集到飞行器的飞行姿态的相关数据，进而经过姿态解算算法转换为PWM可调脉冲数据作为电子调速器的输入来保持飞行器在飞行过程中的平衡。

2.环境等非人为因素的影响

无人飞行器的飞行范围往往大于人眼不能观测到的区域，虽然可以通过切换飞行器的飞行模式转换为遥控器控制，但是遥控器接收器的接收范围也是有限的，在超过遥控器的无线接收范围的情况下，当飞行器遇到突变的天气变化时，飞行器的飞行能力会受到很大的影响，甚至导致飞行器失去平衡而发生坠毁。

3.GPS定位误差

利用GPS进行卫星定位和导航的时候，会受到很多干扰，因此如何保证飞行器飞行途中获得的GPS定位数据是准确的或者说我们如何消除GPS导航的定位误差是研究的重点。

1.4.2创新点

1.可直接输入目标地点的GPS进行导航或者输入多个飞行目标点规划飞行路线。

2.根据所搭建的实验硬件平台，因地制宜地对开源的PID控制算法进行改进，使飞行器飞行的更加平稳。

2.系统原理

该系统主要由六个模块主城，其主要功能分别介绍如下:

（1）初始化模块:

为硬件和软件系统进行初始化操作。

（2）无线遥控模块:

解码接收到的无线遥控指令。

（3）电机驱动模块:

通过PWM波形输出控制电机转动力矩从而控制螺旋桨升力。

（4）传感器数据采集模块:

获取加速度传感器和陀螺仪的原始测量数据。

（5）姿态解算模块:

使用互补滤波将传感器数据进行融合并计算出飞行器在空中的欧拉角。

（6）主逻辑模块:

控制各模块的执行时机和执行频率,并与各模块进行数据交互并进行PID制输出。

（7）GPS模块：

获取GPS定位数据与存储的目标坐标点进行比较完成导航。

图2-1系统原理图

2.1整体功能设计

图2-2系统整体功能图

感应层：

此部分的作用是获取MPU6050中加速度传感器和陀螺仪的实时数据，核心就是使用AVR单片机自带的硬件IIC模块和外部模块通信。

查询Atmega328p单片机的datasheet和MPU6050的datasheet，可以轻松的得到进行IIC操作时应该遵循的时序。

控制层：

传感器接收机能够提供6路PPM信号。

而本设计只需要其中4路，即四个通道。

本设计采用“引脚电平变化中断”来实现PPM解码。

观察PPM原理图可发现引脚电平只有2种变化方式，分别是从高到低和从低到高。

引脚电平从高到低对应高电平结束，从低到高意味着高电平开始。

所以每次进入中断后读取引脚状态，对前后两次进入中断时的引脚状态进行异或运算就能确定是哪个引脚触发了PCINT中断，利用ArduinoIDE自带的micros（）函数记录两次进入PCINT中断的时间。

如此便可以获得PPM某通道高电平时间。

电机驱动利用电子调速器，由于电子调速器的油门是线性的，意味着给电子调速器输入的PWM波形的高电平时间正比于电机的转动力矩。

传输层：

一个是无线遥控收发完成对飞行器的飞行控制，接收无线遥控器的接收信号利用PPM解码原理对其进行解码输出。

另一个是I2C通信总线，只需要两根线就能传输数据，极大减少了LCD对单片机端口的占用。

应用层：

利用GPS导航系统完成飞行器的导航飞行功能，并使用LCD11264显示和输入飞行坐标。

2.2功能模块

图2-3模块功能图

系统主要分为4个模块，数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块及控制执行模块，该系统主要通过数据传输模块将数据采集模块、数据处理模块和控制执行模块相连接。

3.硬件设计

3.1整体设计

本设计主要由以下模块组成：

（1）核心数据处理模块，

（2）GPS模块，（3）11264点阵液晶LCD模块，（4）电平转换模块，（5）遥控接收模块，（6姿态检测模块，（7执行模块

3.2核心处理器

本文设计基于意大利开源硬件ArduinoNano作为飞行控制、数据处理的主要手段。

ArduinoNano是基于Atmega328pAVR单片机的开源硬件。

具有2个外部中断口；可以输出6路PWM波；具备SPI、IIC、UART通信功能；具备六路ADC模数转换功能；可支持ISP在线系统编程；5V供电并能输出5V3V3电压为其它传感器供电。

其丰富的片上资源以及优秀的性能是选择它作为主控芯片的原因。

由于使用的核心MCU是ArduinoNano，对它的编程使用的是所谓ArduinoC，这种C语言类似于标准C，但是又针对ArduinoNano系统做了大量的简化，提供了大量的已经写好的函数和库文件，方便调用。

虽然如此一来代码效率会降低很多，但是对于的四轴飞行器项目的初次验证已经是性能足够了[9].Arduino最小系统原理图如图3-1所示。

图3-1单片机结构图

3.3GPS模块

3.3.1GPS硬件介绍

HOLUXM-89GPS模块是一款采用MTK芯片方案的GPS模块。

该模块采用联发科技公司（MTK）所设计的低耗电量芯片MT3318。

该模块的优势是对漂移的处理，功耗在30毫安，性价比等多方面都优于SIRF3芯片。

该模块通讯方式是RS232（波特率4800），具有并行12通道，可同步跟踪12颗卫星，定位精度高，体积小，功耗低。

以下是它的一些参数：

L1（1575.42MHZ）接收频率；

工作温度：

-40℃至+85℃；

输出资料格式：

NMEA0183（v3.1）；

启动时间（TTFF）：

热启动：

1秒；温启动：

33秒；冷启动：

36秒；

敏感性：

-159dBm;

工作电压：

+3.3至+5v；

功耗：

跟踪模式3.3v电压下小于35mA；

更新接收：

每秒钟（1pps）；

外形体积尺寸：

25.4*25.4*3mm；

重量：

3g；

图3-2GPS模块实物

3.3.2GPS卫星信号

GPS卫星发射的导航电文是通过两个载波频L1为1575.42MHz，L2为1227MHz向地面发射带宽F=50Hz，传递速率是50bits的基带信号，即一组不归零制二进制编码脉冲D（t）。

采用了伪码扩频技术将基带信号的频带从50hz扩展到10.23MHz以将这种低码率的导航文有效地发送给用户。

采用正交方式调制，在载波L1上调制了两种码（P码和CA码），而在载波L2上只调制了一种伪码（P码）。

总之，GPS卫星发射的信号是电文D（t）经过两级调制后的信号。

第一级是将D（t），码调制CA码和P码，实现对D（t）的伪随机码扩频。

第二级是将它们的组合码分别调制在L1和L2载波频率上。

3.3.3GPS定位误差

在我们利用GPS进行卫星定位和导航的时候，会受到很多干扰。

这些影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类：

（1）SA误差是影响GPS定位误差的最主要因素。

SA干扰误差是美国国防部为之国家安全而防止非特许用户利用GPS进行高精度定点点定位而采用的降低GPS系统精度的一系列政策，简称为SA政策，它包括降低广播星历精度和在卫星基本频率上附加一随机抖动使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大卫降低。

虽然美国在2000年取消了SA，但是战时或必要时，美国可能会恢复或采取类似的卫星定位精度干扰技术。

（2）星历误差是GPS测量误差的重要来源，卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差。

又可以称为卫星的轨道误差，因为它是由于卫星的空间三维位置是通过地面的监控系统接收卫星测轨数据来计算得出的。

它是一种起始的数据误差，其误差大小由观测值卫星跟踪站数量、空间分布的数量以及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等决定。

（3）相对论效应导致于卫星钟和接收机所处的运动速度和重力位不同，从而引起的接收机钟与卫星钟之间产生相对误差。

（4）卫星钟差卫星钟差是指GPS标准时间与GPS卫星时钟的差别。

为了保证卫星时钟精度，GPS卫星均采用高精度原子钟，但误差总是存在的，它们和GPS标准时之间的偏差和漂移和漂移总量在1ms～0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km。

3.4LCD显示模块介绍

LCD11264是一种图形点阵液晶串口显示屏，点阵数112*64，可以显示4*7行16*16的汉字。

主要技术参数和性能：

（1）电源：

+5V

（2）显示内容：

112（列）X64（行）点；

（3）全屏幕点阵；

（4）工作温度：

-10℃至+60℃，存储温度：

-20℃至+70℃。

图3-3屏幕机械图

LCD显示屏引脚介绍：

图3-4LCD引脚图

从左到右为LCD的1到8脚：

1脚GND为接地

2脚VCC接工作电压

3脚CS为片选端

4脚A0为地址选择，接低电平为写命令，接高电平为写数据

5脚SCLK为时钟信号线

6脚SI为数据线

7脚RST为复位端

8脚BL_SW为背光灯

3.5键盘模块

设计2个按键，直接采用IO口控制，采用软件去消除抖动的影响，如图3-5所示。

图3-5按键电路图

3.6串口模块

AVR输出的是TTL电平，而RS-232C采用的是负逻辑“0”：

+5V~+15V；逻辑“1”：

-5V~-15V，若直接与TTL电平相连，将会烧坏TTL电路。

为了匹配AVR的TTL电平和GPS模块的RS-232C标准接口，采用MAX232进行电平转换，如下图所示：

图3-6串口硬件图

4.软件设计

图4-1软件设计框图

4.1初始化模块

初始化模块的功能是将控制中需要使用的各个硬件资源进行初始化处理。

它完成的主要功能有如下几点：

（1）初始化定时计数器TIMERCO