四旋翼定高毕业设计论文教材.docx

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四旋翼定高毕业设计论文教材

毕业设计

题目：

飞行高度自主控制四旋翼飞行器系统设计

姓　名：

陈中浩

学　号：

2012090371121

学院：

机电学院

专业：

机械工程及自动化

指导教师：

张东波

协助指导教师：

2016年5月25日

摘要

近几年来，由于新技术的不断革新，无人机行业也得到了很好的发展，现如今已运用于各行各业中。

本文使用普通的四旋翼飞行器，外加传感器实现四旋翼的高度自主控制。

利用廉价的四旋翼组件组成一个只有姿态稳定功能的四旋翼飞行器，通过外设的传感器和高度获取和控制算法，实现自动的定高。

本文通过拓展的控制板，利用滤波算法获取外加在四旋翼飞行器上的超声波传感器，运用PID控制来自动控制四旋翼的油门输出。

该四旋翼能够在室内外低空，地形多变的场地，利用廉价的控制器实现精准的相对地面高度不变的自主高度控制。

关键词：

四旋翼超声波传感器PID控制自动控制

Abstract

Inrecentyears,duetotheconstantinnovationofnewtechnologies,theUAVindustryhasalsobeenaverygooddevelopment,isnowusedinallwalksoflife.Asusedherein,theordinaryQuadrotoraircraft,plusQuadrotorheightsensortoachieveautonomouscontrol.UsingcheapcomponentsofaQuadrotoronlyattitudestabilizationfeatureQuadrotoraircraft,sensorsandperipheralsthroughahighdegreeofaccesstoandcontrolalgorithmforautomaticsethigh.Byexpandingthecontrolpanel,theuseoffilteringalgorithmisappliedtoobtainonaQuadrotorultrasonicsensor,automaticallycontrolledusingPIDcontrolQuadrotorthrottleoutput.TheQuadrotorcapableofindoorandoutdoorlow-altitude,variedterrainofthesite,theuseoflow-costautonomouscontrollershighlyprecisecontrolofconstantheightrelativetotheground.

Keyword:

QuadrotorultrasonicsensorPIDcontrolautomaticcontrol

引言

近年来，多旋翼飞行器被大量的使用并受到各业的重视和关注,多旋翼飞行器是一种结构非常新颖、操控性能稳定简单、可以垂直起降的飞行器。

其带负载能力强、飞行范围广、留空续航时间长等特点，具有很高的军事研究价值和民用价值，现如今已经走入了人们的日常生活中，被广泛的运用。

在多旋翼的技术研究发展的过程中，单片机、传感器和各类算法等技术相互互补相互配合，组成多旋翼的根本核心,所以多旋翼飞行器的发展就会被其中某项技术的研究突破所带动起来，能来带许多科技创新，拓宽很多新功能，甚至许多是我们当前无法想到的。

在1907年，法国的C.Richet教授进行了他们的旋翼式直升机的飞行试验，这是有记录以来多旋翼飞行器最早的结构形式，但是由于当时在导航和控制上的技术还不成熟，多旋翼飞行器也受到了很大的限制，如今各项技术都有了非常大的进步和发展，多旋翼飞行器得以实现。

在功能上，多旋翼飞行器可以实现许多过去不能做到的技术，随着人工智能的不断发展，现在的四旋翼飞行器可装配高清摄像头在飞行中实现安保、消防领域的工作。

四旋翼的大负载能力和长时间续航能力在快递行业和农业上也得到了很大的利用，GPS技术可以实现四旋翼飞行器的精确定位，可以不需要人工遥控操作，就能自动实现预定的飞行路线和轨迹。

2013年TED大会上麻省理工大学展示了搭载在无人机上的雷达，通过飞行器在位置的楼房飞行绘制出当前地形的三维图像。

还有通过几台四轴飞行器联合搭建积木模块，这都是是非常有发展空间的探索研究。

本文基于单片机和传感器实现四旋翼飞行器的自动定高功能，多旋翼飞行器的自动定高功能将使飞行器稳定在固定的高度。

本文通过高度传感器测量高度并使用嵌入接收与飞控之间的控制板来控制飞行器当前高度实现自动定高，当飞行器遇到突起或坡道时，可以自动实现相对地面位置的高度保持。

本文将通过飞行器的硬件系统设计，传感器选择，软件设计，飞行器系统调试来讲述飞行器自动定高功能的研究与实现。

1四旋翼飞行器系统方案的确定

1.1四旋翼飞行器定高系统控制任务

四旋翼飞行器如今受人们广为关注，基于它起降条件要求低，可靠的稳定性等强大的功能，被大量的使用。

四旋翼飞行器有着广阔的前景和发展空间，所以研究四旋翼飞行器是具有非常大的应用价值。

本课题以四旋翼为平台设计飞行高度自主控制的飞行器系统，实现飞行器能够在特定高度范围里进行自主的控制功能，并且飞行器的飞行高度可以由使用者自行设定。

本课题要求对飞行器高度的实时检测反馈，并能够通过反馈的高度信息，测量当前高度与预设高度的偏差值，自主控制飞行器改变当前的高度。

本课题要求四旋翼在一定高度范围内完成自主控制功能，使用的四旋翼需要在300mm轴距以内，设备载重600g以内，由于定高高度相对较低，所选择传感器的高度测量范围可以较小。

四旋翼飞行器通过手动实现方向姿态的控制，开关切换实现高度的自主控制功能。

1.2四旋翼飞行器的基本组成

四旋翼飞行器需要以下几项设备才能使其飞行和工作：

机架，飞控，电机，电调，电池，螺旋桨，接收机，遥控器。

这也是四旋翼飞行器的最基本几样设备（图1.1）。

螺旋桨

接收机

遥控器

电池

电调

电机

飞控

机架

四旋翼飞行器

图1.1四旋翼组成图

四旋翼飞行器的基本组成首先为机架，也就是四旋翼飞行器的构架，所有的设备安装放置在机架之上。

中间为机身，是平整的几块板组成，用于放置设备。

由机身延伸出来4个机臂，在其末端用于放置电机。

机架如今市面上的机架有许多材料构成：

塑料，玻纤，碳纤，金属等。

其中由于金属材料结构过重，除了一些不在乎重量的情况意外，很少采用金属的机架。

而塑料玻纤等运用相对较多，材料相对廉价。

而运用最多的是碳纤维材质的机架，碳纤维具有超强的刚性和硬度，不易变形，最重要的是重量非常轻。

虽然价格偏贵，但却是专业无人机和爱好者的首选，运用也最为广泛。

四旋翼飞行器的飞行需要依靠电机来带动飞行器，顾名思义，四旋翼飞行器具有4颗电机，每颗电机型号大小完全一直，分别置于四旋翼的四个机臂末端，四颗电机的距离基本一致并处于同一平面上。

四旋翼的电机一般为无刷电机，无刷电机通常使用寿命在几万小时，使用时间长，而且可控性强，无干扰，噪声低等优点，四旋翼无人机普遍用的都是无刷电机。

电子调速器是无刷电机必不可少的成分，根据电机的输出电流大小，选择不同型号的电子调速器，电子调速器将输入的直流电转化成3相交流电输出给电机。

另外还有信号线，接在飞控上，接收飞控的信号，来控制电机的转速大小。

用来提供动力能源的就是电池，四旋翼飞行器常使用的是锂电池，锂电池具有高能量密度，高电压，无污染等良好的性能，是无人机供电首选。

四旋翼的升力由螺旋桨提供，不同的电机配合不同的螺旋桨，才能发挥出电机最好的性能。

四旋翼飞行器的控制核心是飞控，也是飞行器的大脑。

飞控一般安置在机架的正中间，与飞行器的几颗电机所在的平面保持基本的平行，由飞控来控制飞行器四颗电机的转速大小，来稳定四旋翼。

飞控包含了三轴陀螺仪，三轴加速度计和磁力计等传感器，用传感器来检测飞行器的当前姿态，来自动修正飞行器，使其保持稳定。

如果没有飞控来控制飞行器的姿态，将无法控制四旋翼，飞行器将不受控制随意偏转。

飞控通过接收接收机的控制信号，与飞控传感器得到需要修正的信号相互融合，分别输出给每颗电机不同的信号传给电子调速器，再由电子调速器来输出不同大小的电流控制电机转速，达到四旋翼的预定姿态。

四旋翼需要遥控器来操作飞行器的飞行轨迹，在飞行器上还有遥控器的接收机用来接收遥控器的控制信号。

1.3基于超声波的高度自主控制系统

1.3.1基于激光传感器的高度自主控制系统

利用遥控器实现控制信号的发送，通过飞行器上的接收机来接收遥控器发送的信号，接收到油门，副翼，升降，方向，手动自动切换模式和飞行模式6个信号，接收机将信号转化为PWM通过6个通道接口输出给控制器，手动模式下，控制器将接收到的PWM信号原封不动的输出给飞控，通过飞控输出给4颗电机来控制飞行器姿态改变。

自动模式下，飞行模式，副翼，升降，方向信号原封不动输出给飞控，而油门通道由控制器自动控制输出PWM信号。

高度传感器使用激光传感器来测量，测量到的高度信号传输给控制器，通过当前高度和预定高度的变化输出油门的大小，来自动控制高度的改变（图1.2）。

在实验过程中由于手动输入6个通道进入控制器，导致飞行器飞行延迟严重，在手动模式下就无法实现手动飞行，而且由于课题中只需自动控制飞行器的高度，所以只需由控制器控制油门的变化量，而无需控制其余通道输出，固其余通道可以直接由接收机输出给飞控，减少控制器的运算量，进而达到更好的飞行效果。

激光传感器在使用时必须垂直与地面才能做到测量精确，而飞行器在姿态改变时会倾斜，激光传感器也会倾斜，导致激光与地面产生偏角，测量精度严重下降。

图1.2基于激光传感器的控制示意图

1.3.2基于超声波的高度自主控制系统

利用遥控器实现控制信号的发送，通过飞行器上的接收机来接收遥控器发送的信号，接收到油门，副翼，升降，方向，手动自动切换模式5个信号，接收机将信号转化为PWM信号输出给飞控和控制器。

控制器作为拓展嵌入接收机与飞控之间，可在手动与自动模式切换，控制油门大小。

控制器收到接收机的油门和手动自动切换模式2个信号，飞控接收副翼，升降，方向3个信号。

由于课题中只需自动控制飞行器的高度，所以只需由控制器控制油门的变化量，手动自动模式切换通道需要连接到控制板上，由控制板接收手动或者自动模式来改变油门由手动操作还是自动操作。

高度传感器选用超声波传感器来对高度进行测量，超声波传感器连接于控制器，由控制器发送指令出发超声波模块，超声波将高度数据传回控制板。

自动模式下，控制器可由收到的当前高度和给定高度做比较，来调整油门的大小自动输出给飞控来进行控制，而手动模式下，控制器只需将接收机的油门信号原封不动输出给飞控即可。

飞控是控制系统的核心部分，他在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，整合接收机和控制板输入的控制信号，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四颗电机工作，保持四旋翼飞行器的稳定飞行（图1.3）。

thr

mode2

yaw

roll

pitch

高度

Thr’

飞控

超声波传感器

Arduino控制板

无线模块

控制指令

PWM

电机4

电机3

电机2

电机1

图1.3基于超声波的控制示意图

1.3.3四旋翼高度自主控制系统的确定

基于激光传感器系统中由于接收机输出通道都通过控制板转换进行输出，使输出数据精度下降，并且不需要对其中的升降，方向，滚转信号控制。