基于DSP的四旋翼无人飞行器设计-本科毕业论文设计.doc

1、本科毕业论文（设计）题 目基于DSP的四旋翼无人飞行器设计 学 院 电XXXXXXXXX学院 专 业 通信工程 年 级 2011 级 学 号 XXXXXXXXXXXXXXX 姓 名 XXXXXXX 指 导 教 师 XX 成 绩 年 月 日 目 录摘要：1Abstract：1第一章 导论21.1四旋翼飞行器技术21.2四旋翼飞行器技术发展历史21.3四旋翼飞行器发展的现状31.4微小型四旋翼飞行器发展的关键技术31.4.1最优化总体设计31.4.2动力与能源31.4.3数学模型的建立41.4.4飞行控制41.5论文内容安排4第二章 四旋翼无人飞行器系统硬件设计62.1系统方案介绍62.2主要器件

2、介绍62.2.1 TMS320F28335介绍62.2.2 MPU6050介绍72.2.3 HMC5883L介绍72.2.4 BMP085介绍82.2.4 PTN78000W介绍92.2.5 WIFI模块92.3系统硬件概述102.4方案选择112.4.1方案设计112.4.1方案比较112.5硬件平台总体设计122.5.1电机控制电路122.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集122.5.3 WIFI无线通信电路132.5.4电源电路13第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计153.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计153.1.1四旋翼飞行器运动分析153.1.2四旋翼飞行器数学建

3、模153.1.3自主飞行控制算法的设计163.1.4程序流程图173.2基于Labview上位机软件设计173.2.1 Labview介绍173.2.2基于Labview上位机结构介绍18第四章 硬件电路制作和调试234.1 硬件电路的制作234.2 硬件调试244.3 软件调试244.3.1飞控软件调试244.3.1上位机软件调试24第5章 总结26参考文献：27致谢28序号不统一，右上方不要加。，序号和标题之间统一距离不统一基于DSP的四旋翼无人飞行器设计XXXXX大学电子信息工程学院，重庆 400715摘要：本文以四旋翼飞行器为研究对象，以TMS320F28335为核心，搭建飞行器硬件平

4、台，实现四旋翼飞器的姿态控制。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬件设计方法，包括传感器模块、无线通信模块和电机模块；采用基于RBF神经网络整定的PID控制策略，最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。 关键词：四旋翼飞行器；控制系统；DSPQuadrotor UAV Control System Based on DSPXXXX xxxxSchool of Electronic and Information Engineering, XXXXXX University, Chongqing 400715, ChinaAbstract：This dissertation fo

5、cuses the development of the control system of Quadrotor UAV using TMS320F28335, including the design of hardware platform of UAV and the development of attitude control. The overall structure of control system and hardware design methods, including sensor module, wireless communication module and t

6、he motor module, are introduced in detail. RBF neural network tuning PID control strategy was employed, and the designed UAV can vertically take off (or land), hover, carry load, and be controlled remotely. Key words: Quadrotor UAV; control system; DSP第一章 导论第一章与导论间空两格1.1四旋翼飞行器技术四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升

7、机，是由4 个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具1。 1.2四旋翼飞行器技术发展历史四旋翼飞行器的设计有两个阶段。在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士CharlesRichet制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但是启发了他的一个学生LouisBrguet。1906年下半年，Louis和JacquesBr

8、guet在Richet教授的指导下做他们自行设计的直升机试验。1907年，Brguet兄弟制作了他们第一个载人四旋翼飞行器-Brguet-RichetGyroplaneNo.1，旋翼直径大约8.1米，载人时重约578千克。在法国Douai首次试飞，载人飞行高度1.5米。飞行员除了能控制发动机的油门来改变转子的转速外，无法进行任何操作，而且稳定性很差。然而，当时飞行器只是处于起步阶段，很显然Brguet兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著的成就。这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行器。然而，早期的原型机表现欠佳，后来的原型机稳定性比较差，实用性和操控性低，所以载人四旋翼

9、飞行器的发展几乎停滞。第二个阶段即从21世纪初开始至现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电动，逐渐被各国所接受，主要是无人机(UnmannedAerialVehicles，UAV)，广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器：具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四旋翼飞行器作为旋翼无人机中的佼佼者具有其他飞行器难以比拟的优点：可垂直起降(VerticalTakeOffandLanding，VTOL)；执行精确缓慢的运动、悬停；拥有更大的载荷量和良好的操控性；能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞；尤其可以在多障

10、碍和狭小的空间穿越飞行。这些优势使四旋翼飞行器在执行搜救和侦察等任务方面游刃有余，决定了四旋翼飞行器具有更广阔的应用前景。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力。飞行时间不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变

11、得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落2。1.3四旋翼飞行器发展的现状四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由4个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪

12、，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上属于微型无人飞行器，一般可以分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国外的四旋翼因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加快了多旋翼飞行器发展。欧美发达国家四旋翼飞行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果3。1.4微小型四旋翼飞行器发

13、展的关键技术迄今为止，微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还面临着诸多关键技术的挑战。1.4.1最优化总体设计进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾，例如：飞行器重量相同时，其尺寸与速度、能耗成反比。因此，进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，首先要根据性能和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量；其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。1.4.2动力与能源动力装置包括：旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，能量

14、由机载电池提供。微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。另一方面，动力装置产生升力时，消耗了绝大部分机载能量。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下将电机工作点配置在推荐运行区域内4。1.4.3数学模型的建立为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用(空气动力、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难建立有效、可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，很难获得准确的气动性能参数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段。1.4.4飞行控制微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度(位置与姿态)和4个控制输入(旋翼转速)的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变