基于ARDUINOSTM32无人机快递机器人.docx
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基于ARDUINOSTM32无人机快递机器人
基于ARDUINOSTM32无人机快递机器人
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
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日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
目录
摘要
一．整体结构……………………………………………………3
1.机体部分…………………………………………………3
1.1机架………………………………………………….3
1.2电子调速器………………………………………….3
1.3无线通讯模块……………………………………….3
1.4电源模块…………………………………………….3
1.5桨…………………………………………………….3
二．动力部分……………………………………………………4
三．运动部分……………………………………………………5
四．控制部分……………………………………………………7
1.避障部分…………………………………………………7
2.抓取部分…………………………………………………8
五．控制模型分析………………………………………………11
六．控制算法……………………………………………………12
七．参考文献……………………………………………………13
摘要
应对现在快递行业所面对的一大困难，快递派送的难题，六旋翼凭借自身质量轻，体积小，活动空间小，稳定性高的优点，在主控的基础上，又嵌入一块芯片，实现双芯片控制，在此基础上加载了超声波，实现了自动避障，又加载了机械手，可以自由抓取物体，经过实际操作实验后，充分肯定了这一设方案
Abstract
Shouldnowexpressindustryhastofaceadifficulty,expressdeliveryproblems,sixrotorwithitslightweight,smallvolume,smallactivityspace,theadvantagesofhighstability,onthebasisofmaincontrolandembeddedachiptoachievedualchipcontrol,basedonloadedultrasonic,therealizationoftheautomaticobstacleavoidance,andloadingofthemanipulator,canbefreetograbobjects,aftertheactualoperationexperiment,fullyaffirmedthedesignscheme
关键字：
超声波ARDUINOSTM32舵机
一．整体结构
1.机体部分
1.1机架
六旋翼飞行器的框架和布局较为简单，呈“X字形”，所以机械加工出符合要求的机架和平台是可行的。
而且可以根据自身的条件和六旋翼飞行器功能的要求来选择合适的六旋翼飞行器的配件，如机架材料的选择等。
六旋翼飞行器样机重量约为1.5kg，轴距均为750cm，成对称布局。
1.2电子调速器
电子调速器（electronicspeedcontroller，ESC）。
针对控制电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器，根据控制信号调节电动机的转速。
通过电子调速器可以控制电机的转速，电机转的速度跟流过的电流有关也就是跟加在两端的电压有关，但是单片机并不能输出可调的直流电压，而是用脉宽调制（PWM）方式来控制电机的输入电压。
通过控制pwm可以实现对加在两端实际等效电压的控制从而实现控制速度，PWM占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。
1.3无线通信模块
通过现有无线网络建立遥控器和飞行器的通信链路。
操控人员通过遥控器向六旋翼飞行器传输飞行和任务控制指令。
基于成本考虑，本系统采用的是天地飞FT06-A六通遥控设备，从LM393G芯片的引脚1引出PPM和信号（PulsePositionModulationsumsignal）供飞行控制板采集
1.4电源模块
为六旋翼飞行器飞行控制系统、无刷电机等提供电源。
由于六旋翼飞行器载重量有限，所以电源系统应该尽可能轻，能量密度要大。
考虑到线性稳压方式转换效率不高，能量损耗大的缺点，本系统改用开关电源的方式来稳压。
但开关电源会产生较强的电磁干扰，而且存在电源波纹，这样对PPM的遥控方式影响就很大。
1.5桨
螺旋桨是靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置。
它由多个桨叶和中央的桨毂组成,桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上,电机轴直接与桨毂相连接并带动它旋转，该设计采用定距螺旋桨，它的桨距（或桨叶安装角）是固定的，定距螺旋桨构造简单，重量轻，在功率很小的轻型飞行器上得到广泛应用。
螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量空气向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。
一般情况下，螺旋桨除旋转外还有前进速度。
四旋翼飞行器上的“螺旋桨”其实是旋转中的机翼，正确名称为“旋翼”，其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成。
桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。
在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩，由发动机的力矩来平衡。
桨叶剖面弦（相当于翼弦）与旋转平面夹角称桨叶安装角。
螺旋桨旋转一圈，以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。
根据旋翼空气动力规律，旋翼的直径越小、转速越高，能量利用率越低，因此四旋翼飞行器不太适合作大负载、远距离的飞行。
本机采用1147的桨。
二.动力部分
对多旋翼无人机的驱动器做了一系列研究,包括无刷电机转速的测量、无刷电机的特性建模以及无刷电机转速的控制器设计等。
多旋翼无人机采用无刷直流电机作为动力装置。
对无刷电机的特点和运动特性的分析,是建立在无刷电机转速测量的基础上,设计了两种无刷电机转速测量的方法:
1.基于霍尔传感器的无刷电机转速测量;
2.基于端电压频率的无刷电机转速测量
设计了“PC机-数字信号处理器（DSP）-电子调速器-无刷电机-霍尔传感器”的硬件装置,利用此装置采样电机的转速信息,并使用MATLAB软件和非线性回归分析,建立了无刷电机的稳态模型和动态模型,完成了无刷电机的特性建模。
2.1转子动力学建模方程
转子由无刷直流电机驱动，根据电枢回路中的电压平衡方程和电机轴上的转矩平衡方程，建立动力系统的模型如下：
根据电枢回路中的电压平衡方程和电机轴上的转矩平衡方程，建立动力系统的模型如下：
（2,3）
因为四旋翼飞行器使用的无刷直流电机电感很小，二阶无刷直流电机动力学可近似为：
由于负载力矩只有螺旋桨和部分零件之间相对运动摩擦产生的热能可忽略。
则
，d是螺旋桨的阻力系数。
τ是电机时间常数。
引入旋翼，（2.3）式可写为
（2,4）
式子（2.4）在运行点ω0写为线性化的形式：
接下来设计了两种控制器来实现对无刷电机转速的实时控制,分别为开环控制器和闭环控制器。
基于无刷电机稳态模型,根据给定的电机转速和电源电压,解算出控制信号PWM波占空比,实现了对无刷电机转速的开环控制;采用模糊控制结合专家系统参数自整定PID控制的方法,从而减小了无刷电机转速控制的上升时间,提高了电机的响应速度,实现了无刷电机转速的闭环控制。
最后,结合多旋翼无人机驱动器的实际应用,设计了基于DSP的多旋翼无人机驱动电路,制作了相应的印刷电路板,并使用印刷电路板完成了多个电机转速跟踪惯性测量单元（IMU）给定信号的实验,取得了较为理想的结果。
果。
三.运动部分数学建模
多旋翼无人机具有体积小、重量轻、机械结构简单等特点,与传统的单旋翼无人机相比,多旋翼无人机不需要尾桨来抵消反转力矩,使得多旋翼无人机电机转速低、消耗小、安全性高
建模采用了基本的物理方程，并假设飞行器的空气动力学系数是固定的，忽略机体机械振动、传感器感应姿态方面的延迟和传感器的噪声影响（温飘等），通过建模确立的参数要根据实验飞行数据经过微调才能满足要求。
（1）建立四旋翼飞行器旋翼空气动力学方程。
对旋翼空气动力学方程进行了适当简化。
（2）建立动力系统模型。
根据电机轴上的动量定理和电枢回路电压平衡方程，推导出由直流电机和旋翼组成的动力系统的数学模型。
Euler角（φ,θ,ψ）是时域变化的连续函数，它们与用陀螺仪得到的体坐标系中绕三轴转动角速度（p,q,r）是不同的。
本实验是用惯性测量单元测量飞行器旋转的。
通过变换矩阵可得：
（2,6）
使用拉格朗日和其推导公式可得到运动方程：
（2,7）
其中，L是拉格朗日量、广义坐标iq是时间的函数、iq&是广义速度。
iΓ是广义力。
则运动方程可表示为：
（2,8）
刚体的姿态可以用三个基本旋转矩阵来决定。
考虑采用右手坐标系，三个围
绕单轴的转动可用下式分别表示：
R（x,φ）绕x轴旋转；
R（y,θ）绕y轴旋转；
R（z,ψ）绕z轴旋转；
则完整的旋转矩阵可用下式表示：
（2,9）
假设地面坐标系的正交基[X,Y,Z]，体坐标系的正交基[x,y,z]，机体上任何一点在地面坐标系中的坐标可用下式来表示：
（2,10）
通过求导，可得机体任意质点在地面坐标系中的速度。
四旋翼飞行器的动力学模型可描述为侧倾，俯仰和偏航旋转，此外也要考虑必然包含机体转动、螺旋桨桨叶旋转连同螺旋桨本身转动以及无刷电机运动产生的陀螺效应和旋转扭矩：
（2,11）
其中，坐标系中oxz,oyz平面是对称平面，即惯性积,Ixyzyxz=0
若设Msumthrust是总升力惯性力矩；Mxprop是螺旋桨3和螺旋桨4旋转产生的力矩；Myprop是螺旋桨1和螺旋桨2旋转产生的力矩；Mzprop是螺旋桨（1，2）和螺旋桨（3,4）旋转产生的总力矩。
其表达式分别如下：
（2,12）
螺旋桨旋转产生的陀螺效应如下：
（2,13）
其中rJ是螺旋桨转动惯量，Ω是螺旋桨角速度，那么螺旋桨旋转作用在（x,y,z）轴上的总力矩分别为：
（2,14）
建立动态模型时除了考虑旋翼的旋转，还包含了刚体和旋翼旋转的陀螺效应。
对于四旋翼飞行器，陀螺效应对其建模的影响相对无刷电机可以忽略，尤其在近悬停（near-hover）状态时。
为了设计该系统的多PID控制器（R.Longchamp，1995），可以忽略陀螺效应，从而消除交叉耦合（crosscoupling）。
动力学模型可简化为：
（2,15）
把转子动力学引入（13）式，并进行拉普拉斯变换：
（2,16）
其中，A、B、C是线性转子动力学系数，已在式（2.5）中描述。
C相对B太
小，可忽略。
四.控制部分
4.1避障部分
避障思路如下：
避障程序框图如下：
多旋翼中输出信号基本都为PWM信号，其1000为最低点，1500为中立点，2000为最高点。
开发过程中选用arduino进行开发
#include;
#defineAIL1 22 //AILfuyi
#defineELE2 24 //ELEshengjiang
#defineTHR3 26 //THRyoumen
#defineRUD4 28 //RUDfangxiang
unsignedlongINAIL;
unsignedlongINELE;
unsignedlongINTHR;
unsignedlongINRUD;
intOUTAIL;
intOUTELE;
intOUTTHR;
intOUTRUD;
ServoAIL;
ServoELE;
ServoTHR;
ServoRUD;
voidsetup（）
{
pinMode（AIL1,0）;
pinMode（ELE2,0）;
pinMode（THR3,0）;
pinMode（RUD4,0）;
AIL.attach（4）;
ELE.attach（5）;
THR.attach（6）;
RUD.attach（7）;
Serial.begin（9600）;
}
voidloop（）
{
INAIL=pulseIn（AIL1,1）;
INELE=pulseIn（ELE2,1）;
INTHR=pulseIn（THR3,1）;
INRUD=pulseIn（RUD4,1）;
OUTAIL=map（INAIL,1010,2007,47,144）;
OUTELE=map（INELE,1010,2007,47,144）;
OUTTHR=map（INTHR,1010,2007,47,144）;
OUTRUD=map（INRUD,1010,2007,47,144）;
AIL.write（OUTAIL）;
ELE.write（OUTELE）;
THR.write（OUTTHR）;
RUD.write（OUTRUD）;
Serial.print（"AIL="）;
Serial.print（INAIL）;
Serial.print（"ELE="）;
Serial.print（INELE）;
Serial.print（"THR="）;
Serial.print（INTHR）;
Serial.print（"RUD="）;
Serial.print（INRUD）;
delay（5）;
}
这段代码主要用来读取接收机的PWM值，pluseIn（）函数可以读取指定端口的电平脉冲时间。
其还调用了arduino的舵机库的舵机函数来控制，其中可以看出，OUTTHR=map（INTHR,1010,2007,47,144）;这是个缩放函数，让1010-2007缩放为47-144，在取样的时候arduino读取的PWM宽度在1000-2000之间，但是有些值是大于2000的，那么取一个更大的区间，来“装”PWM的区间，所以是1000-2007，让arduino自己给自己测脉冲时间，写一个代码，用pluseIn（）函数，让任意一个端口输出一个90度的舵机角度值，也就是xxxx.write（90）;然后把这个端口接在arduino其他任意一个数字端口上，用pluseIn（）去测这个90度的脉宽是多少，比如90度测出来脉冲时间是1500，大了，找到1000-2000范围的那个舵机角度，我们再来一个30度，或者170度，就这样把范围越缩越小，最后找出了他们之间的关系，47度的舵机输出，用pluseIn（）去测量刚好在1000左右，那么地、低位就找到了，同样高位在144度上脉冲宽度时间是2000左右，这时arduino就原封不动的把接收机的信号吃进去了，又吐出来给飞控，至此，arduino已经完全潜入飞机控制系统。
1.使用电压：
DC5V
2.静态电流：
小于2mA
3：
电平输出：
高5V
4：
电平输出：
低0V
5：
感应角度：
不大于15度
6：
探测距离：
2cm-450cm
7:
高精度：
可达3mm
接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND地线
一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有
输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了~~
模块工作原理：
（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是
超声波从发射到返回的时间．测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2
串口调试的相关数据，加上滤波后数据可能更加平滑，Time表示已经运行的时间（S）。
4.2抓取部分
抓取部分直接由主控控制，嵌入第七，第八通道控制舵机，输出PWM值大于1500，小于1950时舵机接受信号，然后在这个区间中调试PWM值找到合适的控制信号。
五.控制模型分析
飞行过程中六旋翼飞行器不但同时受到多种物理效应的作用比如空气动力、空气密度和陀螺效应等还容易受到气流等外部环境的干扰。
因此很难获得准确的气动性能参数难以建立有效、准确的动力学模型。
其次设计采用现代控制理论的控制器虽然现代控制理论设计的控制器理论上性能非常好甚至可以设计数学上最优的控制器。
再次利用惯性测量单元获得四旋翼飞行器的姿态等信息通过状态估计方法获得必要的状态反馈是实现自主飞行控制的难点。
六旋翼飞行器的运动控制系统为背景以六个螺旋桨为控制对象设计并制作了具有信号采集及处理和无线通讯接口的飞行控制器
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