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四轴飞行器毕设作品.rar

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    编号:20180825165139508    类型:共享资源    大小:48.48MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    飞行器 作品
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    编号: 毕业设 计(论文) 说 明书 题 目: 四轴飞行器的控 制 学 院: 专 业: 学生姓名 : 学 号: 指导教师 : 职 称: 题目类型 :  理论研究  实验研究 工程设计  工程技术研究  软件开发 2014 年 5 月 30 日 摘 要 四轴飞行器作为低成本的实验平台,在各个领域都有发挥作用的潜力。对比于其他 类型的飞行器, 四轴飞行器拥有结构简单紧凑, 飞行效率高, 机动灵活的优点。 本文介 绍四轴飞行器的设计过程, 主要包括结构设计, 硬件设计, 软件设计三个部分。 四轴飞 行器的构件设计采用纯板件设计, 全机仅使用三种不同的板件、 一种型号的尼龙柱和一 种型号的螺丝,即可组装成完整的机架实体。为了降低重量和信号连接线的复杂程度, 减少 PCB 数量,设计中将导线设计在机架中,所以机架本身同时作为结构部件与 PCB 两种功能。 本设计为了解决传统飞行控制器接线复杂,模块较多的问题,采用了两个新的设计 理念: 硬件上使用单总线设计理念, 软件上为虚拟智能终端。 单总线设计理念是指使用 一条贯穿全机的 CAN Bus 总线来代替绝大部 分的信号线。虚拟智能终端使得终端虚拟 化, 实现单个硬件实体上运行多个终端的能力。 增加了使用灵活度, 减少了硬件实体的 总数,减轻了编程负担。 本设计使用的传感器包括三轴陀螺仪、 三轴加速度计、 三轴磁阻传感器 (电子罗盘) 和大气压力传感器。 定位系统包括 GPS , 超声 波测距模块。 无线通讯方面, 使用航模 9 通道 RC 遥控器, 串口无线透传模块。 地面站使用开源项目 QGC(QGroundControl 项目) , 并使用开源协议 Mavlink(Micro Air Vehicle Communication Protocol )。姿态算法使用 四元数算法,姿态误差修正算法使用互补滤波算法,控制算法为 PID 算法。 关键词:四轴飞行器;姿态计算;四元数;远程控制;Mavlink Abstract As a low cost experimental platform, quadcopters are very potential in many application areas. Comparing to other UAVs, quadcoters have many advantages like simple structure, high efficiency and good maneuverablility. This essay introduces the processing of designing a quadcopter, including structure designing, hardware designing and software designing. The quadcoter’s structure is constituted by 3 different parts, and all these parts are flats. In this design, 3 different parts, 1 type of nylon pillar and 1 type of nylon spike can make up a completed quadcopter. For reducing weight, wire complexity and the number of PCBs of the quadcoter, this designing put the wires in to the structures. So the structures also serve as PCBs. In order to eliminate the complexity of wiring, two new design philosophies, Single Bus and Virtual Smart Terminal, are used in this design. The Single Bus uses a CAN Bus to replace all of the traditional wire connections. And several Virtual Smart Terminals can share a single hardware terminal. These two philosophies improve the flexibility of the design, reduce the number of hardware terminal, and reduce the difficulty of programming. A serial of sensors are used in this design, including 3-axis gyroscope, 3-axis accelerometer, 3-axis magnetoresistive sensor and air pressure sensor. Positioning methods are GPS and ultrasonic ranging. Wireless communication methods are a model RC controller and a wireless serial port transceiver. Ground control station uses an open source project QGC and Mavlink protocol. Attitude calculation is based on quaternion and complementary filter. Control algorithm is PID. Key words: Quadcopter; Attitude Calculation; Quaternion; Remote-Control; Mavlink 目 录 引言 ........................................................... 1 1 序论 ....................................................... 2 1.1 选题背景、目的、意义 .................................................. 2 1.2 国内外发展现状 ........................................................ 2 1.2.1 国外发展现状 ........................................................ 2 1.2.2 国内发展现状 ........................................................ 3 2 系统综述 ................................................... 3 2.1 四轴飞行器的飞行原理 .................................................. 3 2.2 四轴飞行器的设计目标 .................................................. 4 2.3 四轴飞行器的基本工作过程 .............................................. 4 2.4 四轴飞行器的总体构成 .................................................. 4 2.4.1 飞控构成 ............................................................ 5 2.4.2 电调构成 ............................................................ 5 2.4.3 电源板构成 .......................................................... 5 2.4.4 其他飞行支持器件 .................................................... 5 2.5 编程语言、编程工具和 RTOS ............................................. 5 2.5.1 编程语言 — C 语言 .................................................. 5 2.5.2 编程环境 — RealView MDK ............................................ 6 2.5.3 实时操作系统 — RT-Thread ........................................... 6 3 可行性参 数及结 构 设计 ....................................... 6 3.1 可行性参数设计 ........................................................ 6 3.1.1 指定基本参数 ........................................................ 6 3.1.2 电机与螺旋桨选定 .................................................... 7 3.1.3 电池的选型 .......................................................... 9 3.2 结构设计 ............................................................. 10 3.2.1 电源板与底板设计 ................................................... 11 3.2.2 支臂设计 ........................................................... 12 3.2.3 电调板与电机座结构设计 ............................................. 13 3.2.4 主体结构质量估算 ................................................... 14 3.2.5 实物装配图 ......................................................... 14 4 硬件电路 设计 .............................................. 15 4.1 四轴飞行器单总线(CAN Bus )设计理念 ................................. 16 4.2 飞行控制器电路设计 ................................................... 17 4.2.1 陀螺仪选型 ......................................................... 18 4.2.2 气压计选型 ......................................................... 19 4.2.3 其他传感器选型 ..................................................... 20 4.2.4 飞控主要元器件列表 ................................................. 21 4.2.5 飞控原理图、PCB 及其说明 ........................................... 21 4.3 无感无刷电子调速器硬件设计 ........................................... 23 4.3.1 无刷电调器件选型及设计原理 ......................................... 23 4.3.2 无刷电调器原理图、PCB 图与实物图 ................................... 24 4.4 电源底板硬件设计 ..................................................... 26 4.4.1 电源底板的设计描述 ................................................. 26 4.4.2 电源底板原理图、PCB 图与实物图 ..................................... 26 4.5 其余电路硬件设计 ..................................................... 28 4.5.1 通用拓展板——Universal Expansion Board ............................ 28 4.5.2 专用调试器 ......................................................... 30 5 软件设计 .................................................. 31 5.1 实时操作系统 RT-Thread 简介 ........................................... 31 5.1.1 飞控程序建立在RTOS 上的必要性 ..................................... 31 5.1.2 选择RT-Thread ..................................................... 32 5.2 虚拟智能终端的设计理念 ............................................... 33 5.3 飞控程序设计 ......................................................... 35 5.3.1 线程总览与程序结构 ................................................. 35 5.3.2 提取传感器数据 ..................................................... 37 5.3.3 姿态算法 ........................................................... 39 5.3.4 控制算法 ........................................................... 41 5.3.5 输出映射 ........................................................... 42 5.3.6 导航算法 ........................................................... 43 5.4 电调程序设计 ......................................................... 44 5.5 其他模块程序设计 ..................................................... 45 5.6 上位机 .............................................................. 45 5.6.1 Mavlink 协议简介 ................................................... 45 5.6.2 QGroundControl 上位机简介 .......................................... 45 5.6.3 Deep Blue V0.3 上位机简介 .......................................... 46 6 调试与试 飞 ................................................ 47 6.1 传感器的标定与校准 ................................................... 47 6.2 振动测试与滤波器参数选择 ............................................. 47 6.2.1 模拟振动测试平台 ................................................... 47 6.2.2 加速度计的振动测试和滤波器参数选择 ................................. 48 6.2.3 陀螺仪的振动测试和滤波器参数选择 ................................... 50 6.3 PID 参数调整 .......................................................... 51 6.4 试飞 ................................................................. 51 7 总结与展 望 ................................................ 52 7.1 总结 ................................................................. 52 7.2 展望 ................................................................. 52 谢 辞 ........................................................ 53 参考文献 : .................................................... 54 附 录 ...................................................... 55 1.飞控原理图 ............................................................. 55 2.无刷电调原理图 ......................................................... 56 3.电源底板原理图 ......................................................... 57 4.UBE 原理图 ............................................................. 58 第 1 页,共 58 页 引言 小型多轴飞行器因其结构简单, 组装方便, 已经 越来越接近大家的生活。 随着 MEMS 传感器、 微控制器、 电机和电池技术的发展和普及, 多轴飞行器已经成为微小型无人机 中的新锐力量。直到今天,多轴飞行器已经应用到各个领域,如军事应用、公安追捕、 灾害搜救、地理调查、输电线巡查、电影拍摄等。 以汶川地震救灾为例子,传统的调查方式为有人直升机或者固定翼拍摄。限于飞机 的数量和飞行高度, 当地的能见度, 地形等因素, 有人飞机不能很好的完成现场拍摄等 任务, 救灾人员无法实时地分析现场状况。 此时需要的是能低空拍摄, 灵活调度的微小 型无人机,多轴飞行器则是现场最适合的无人应用平台。 目前广泛应用的无人飞行器有固定翼飞机,单轴直升机等。与固定翼相比,多轴飞 行器有对场地要求低, 能实现垂直起降, 定点悬停等优点, 与直升机相比, 有结构简单, 提高升力效率的潜力大,成本低等优点。 四轴飞行器是多轴飞行器中最典型的案例,相比其他多轴飞行器,四轴飞行器有简 单的结构, 易于制造, 而在飞行原理与控制方式上, 四轴飞行器与其他多轴飞行器没有 太大的区别, 仅仅在于输出控制量时对单个电机的映射不同。 所以, 本文就四轴飞行器 的设计过程进行阐述,并说明其飞行控制原理。 第 2 页 ,共 58 页 1 序论 1.1 选题背景、目的、意义 资料显示,随着信息战和网络中心战系统的迅速发展,无人机日益成为战争体系对 抗中关键装备之一, 在需求推动下, 预计今后 10 年内全球对无人机需求总数约达 23000 架,其市场增加到原来的 3 倍,年均开支将由 27 亿美元增加到 83 亿元。未来 10 年共 计花费近 550 亿美元。 垂直(VTOL )和短距 起降无人机的销售高峰将出现在 2010~2013 年,据悉,法、 德、西班牙和英国将会化费 5 亿欧元为本国新型战舰配备这类无人机。美制“ 火力侦察 兵” 无人旋翼机预约订货在不断增加。 随着无人机技术的成熟和使用经验的丰富,今后无人机民用领域将不断扩展,防灾 救灾、 农林作业、 缉私 缉毒、 大地测绘、 资源 探测、 治安反恐、 管线 监视等各种民用无 人机市场需求已出现了明显增长。 四轴飞行器是一种飞行器,同时也是一个飞行的试验平台。当智能设备搭载在四轴 飞行器这个灵活的试验平台上时, 就拥有了其他形式的智能机器人所没有的优势。 例如, 困扰地面机器人最大的难题在于如何去适应全部的地形, 又例如水上机器人需要面对起 伏的波浪和海水的腐蚀, 这些问题在飞行平台上, 都可以得到完美的解决。 但是四轴飞 行器作为飞行平台, 也有本身的一些缺陷, 例如飞行时间不长, 容易受风的影响, 平台 不稳定等问题。 目前在工业发达的国家中,四轴飞行器已经作为一个通用的平台来进行试验和应用 了, 但国内对四轴飞行器的研究起步较晚, 研究力度较少。 在国内还没有成熟技术的背 景下,对四轴飞行器的控制进行研究,具有重要意义和应用前景。 1.2 国内外发展现状 1.2.1 国外发展现状 国外有不少民间微小型飞控(无人机飞行控制器)项目,包括 PIXHAWK 项目、 AutoQuad 项目、APM (ArduPilotMega )项目 等,他们都可以控制包括四轴飞行器在内 的多种飞行器。不少项目甚至是开源的,为爱好者们学习提供了很多方便。 来自 ETH Zurich 大学 Institute Dynamic Systems and Control 实验室的 Raffaello D'Andrea 与他的团队 将四轴飞行器与运动算法相结合,完成了如打球、顶倒立杆、集 群飞行和抓取等非常精确的动作和准确的控制效果。 第 3 页 ,共 58 页 1.2.2 国内发展现状 2008 年, 在随着德国著名的四轴飞行器飞控 Mikrokopter 的开源 , 在国内的电子工 程师中掀起了一阵 DIY 四轴飞行器的热潮。但因当时 MEMS 传感器较贵,姿态算法有 很大的缺陷等一些原因,DIY 热潮很快在 2009 年消散。 2012 年, 随着锂电池性能提升, 传感器和微控制器价格下降, 航空模型得到较大的 发展。 这时, 一些辅助性航模设备, 包括固定翼陀螺仪和其他飞行增稳系统等出现并有 一定的用户群。DIY 四 轴飞行器的门槛变得较低,国内也重新出现了一次 DIY 飞控的 热潮。 目前国内对四轴飞行器的研究还处于比较初步的状态,开源的项目较少。比较出名 开源项目有匿名四轴飞行器,起始于 2012 年底,现在已经发展出多个版本飞行器硬件 和完善的上位机,是一款非常有潜力的四轴飞行器项目。 2 系统综述 2.1 四轴飞行器的飞行原理 四轴飞行器几乎是结构最简单的飞行器,控制上也很容易对其进行分析。四个旋翼 分别产生四个垂直方向的力和四个反扭力, 当这 8 个力处于平衡状态时, 四轴飞行器可 以在静止的空气中平稳悬停, 当控制其中一个或者多个力共同改变时, 四轴飞行器将可 以离开平稳状态向所需要的方向进行改变。 但其本身是不稳定的, 需要一套飞行控制系统对每一个电机的输出量进行实时调整。 这套系统需要做的工作是检测回来姿态, 并计算出控制量, 并控制四个电机, 即可使飞 机的受力发生改变。图 2-1 四轴飞行器飞行原理 展现了其悬停时四个电机的转速一 致。 图 2-2 四轴飞行器逆时针旋转 为四轴飞行器逆时针旋转的例子, 1、 3 号电机减速, 2、4 号电机加速。其余控制情况类似。 图 2-1 四轴飞行器飞行原理 第 4 页 ,共 58 页 图 2-2 四轴飞行器逆时针旋转 2.2 四轴飞行器的设计目标 设计目标为实现四轴飞行器的控制。 系统以 STM32F407VG 系列微 控制器作为飞控 系统的核心控制器件, 采用惯性传感器和绝对位置定位方式, 对飞行器的姿态进行检测, 并相应地实现自动控制飞行器平衡,定点飞行等功能。 2.3 四轴飞行器的基本工作过程 实现自动控制的主要工作过程分为两部分。第一部分为姿态算法部分,MCU 通过 SPI 总线提取多个不同 的惯性传感器件和电子罗盘数据,通过四元数算法和互补滤波器 进行融合后进行姿态积分, 而后通过四元数转欧拉角矩阵, 得出当前的飞行器姿态角度。 第二部分为控制算法部分,MCU 利用当前的姿态角度,与期望姿态角度做对比,得到 偏差角度, 将偏差角输入 PID 控制算法, 即可 输出三个方向上的修正量。 最后, 利用三 个方向的修正量, 通过映射关系, 映射到四个电机后输出, 即可实现飞行器自动控制飞 行。 其他工作,包括飞行器与上位机通信,飞行器的失控保护系统,工作记录等。 2.4 四轴飞行器的总体构成 四轴飞行器硬件主要由三种电路板组成, 分别为一块飞控板 (无人机飞行控制器) , 一块电源管理板, 四块无刷电子调速器。 此外还有一个串口数传模块和若干个通过通用 拓展板拓展的传感器与接收机模块。 第 5 页 ,共 58 页 2.4.1 飞控构成 飞控(飞行控制器)是整个控制系统的核心,它负责计算当前飞行器的姿态,并输 出控制量。MCU 使用 Cortex-M4F 内核的 STM32F407VG 微控制器 ,操作系统使用 RT-Thread 1.2。飞控板 拥有较多的感知能力,传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、 三轴磁阻传感器 (电子罗盘) 和大气压力传感器。 另外还有 TF 卡插槽, mini-USB 接口, 2 路 UART 接口 (其中 一路专用于调试) , 1 路 PPM 信号输入端口与 12 路舵机兼容 PWM 输出接口。此外它内置了 GPS 模块,可以独立实现单板导航控制功能。 2.4.2 电调构成 电调 (无感无刷电子调速器) 主要功能是负责驱动三相无感无刷电机, 并通过 CAN Bus 实现电压监测,电 流反馈功能。MCU 使用 Cortex-M3 内核的 STM32F103C8T6 微 控制器, 与飞控相同地, 软件上基于 RT-Thread 1.2 操作系统。 电调包括 1 路 UART 接 口,1 路 SWD 调试 口,1 路 CAN Bus 总线接 口,1 路 PWM 输入接 口。飞控可以选择 通过 PWM 输入引脚控 制电调板, 或者 CAN Bus 总线控制电调板, 仅取决于接线方式。 2.4.3 电源板构成 电源板主要功能是负责电池电压(11.1V~12.6V )到 5V 的转化,内 置一个 3A 的 DC/DC 转化电路。 电源 板与电调相同, 内置 STM32F103C8T6 微控制器并基于 RT-Thread 1.2 操作系统,使电源管理独自形成一个智能的模块。电源管理板负责监控最多 5 路单 节锂电池电压(3.7~4.2V) 与 1 路整块锂电池电压( 最高 21V) 监控, 同时提 供电池电流监控。 当电流或者电压接近危险值时,通过自身的 CAN Bus 接口,向飞控 和四个电调发出电 源危险警告, 并通过蜂鸣器发出声音警报, 使四轴飞行器尽快着陆以保护锂电池和飞行 器。 2.4.4 其他飞行支持器件 包括动力锂电池、电机、螺旋桨等。 2.5 编程语言、编程工具和 RTOS 2.5.1 编程语言 — C 语言 系统硬件使用的各个微控制器均为 32 位的 Cortex-M 内核的芯片,计算性能与硬件 资源远远超过 8 位, 16 位单片机。 为了保证算法与代码兼容性和可读性, 本设计完全使 用 C 语言进行编程。 现代编译器中, 已经能很 好地优化代码结构, 使 高级语言编译出来 的代码接近汇编语言的效率, 同时 C 语言的可读性是汇编所不及的。 C 语言是除了汇编 第 6 页 ,共 58 页 语言以外最接近底层的编程语言, 所以用 C 语言也能很好地解决硬件问题, 并提高程序 的运行效率,可以在贴近硬件的同时,也能使用更高级的编程思维。 2.5.2 编程环境 — RealView MDK 编写代码及编译过程, 均是使用 RealView MDK 5 来进行的。 MDK 5 是一个相当优 秀的 IDE (Integrated Development Environment)。Keil 公司开发的 ARM 开发工具 MDK, 是用来开发基于 ARM 核的系列微控制器的嵌入式应用程序。它适合不同层次的开发者 使用,包括专业的应用程序开发工程师和嵌入式软件开发的入门者。MDK 包含了工业 标准的 C 编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件,支持所有基于 ARM 的设备, 能帮助工程师按照计划完成项目。 2.5.3 实时操作系统 — RT-Thread RT-Thread 是一款由中 国开源社区主导开发的开源嵌入式实时操作系统(遵循 GPLv2 许可协议) , 它 包含实时嵌入式系统相关的各个组件: 实时操作系统内核, TCP/IP 协议栈、文件系统、libc 接口、图形界面等。 四轴飞行器上的每一个微控制器中的软件,实际上都是基于 RT-Thread 1.2 的一个 或者多个线程。 RT-Thread 1.2 是一个国产开源实时操作系统 (RTOS: Real Time Operating System ),采用 C 语言面向对象的编程思维,非常巧妙地兼顾了 C 语言的底层编程特 点和高级语言的面向对象的编程思想。 它优秀的可裁剪性和丰富的组件, 使四轴飞行器 的软件设计和硬件设计过程变得简单且利于维护,并提高了代码的复用性。 3 可行性参数 及 结构设 计 四轴飞行器是一个复杂实体,包含非常多的结构零件及参数设计。本文将从简入手 计算主要的关键参数, 包括几个主要部分, 电机选择、 螺旋桨选择、 电池选择、 机架尺 寸设计等几个主要参数。 3.1 可行性参数设计 3.1.1 指定基本参数 根据资料与一般经验, 作者确定出以下几个部分的参数, 利于个人独立制作与调试, 并能兼顾一定载荷与续航时间。 四轴飞行器基本参数如表 3-1: 第 7 页 ,共 58 页 表 3-1 四轴 飞行 器基 本参数 参数名称 值 单位 空机质量(不含电池) 350 g 机架对角线长度 350 mm 续航时间 >10 分钟 载荷 >200 g 根据表 3-1 中的几个基本设计参数,可以完成大部分的参数选定。 3.1.2 电机与螺旋桨选定 航模无刷电机通常是指三相无感无刷交流电机。相比于有刷电机,无刷电机少了电 刷, 磨损主要是在轴承上了。 从机械角度看, 无刷电机几乎是不需要进行维护的。无 感 无刷电机的缺点是它的启动性能相比与有刷电机较差, 启动时扭矩不足, 驱动器在低转 速时不能很好定位转子的极性。 但当其用于航空模型时, 这种缺点显得不是很严重, 因 为螺旋桨在启动时是气流阻力较小, 并且螺旋桨质量较轻转动惯量较小, 电机启动负载 非常小。 此外无感无刷电机拥有非常高的能量转换效率, 同时体积较小, 这大大延长了 飞机的留空时间。 所以无感无刷电机在航模上的应用已经代替了有刷电机, 成为航模中 最常见的电动机。 本设计中的四轴飞行器,它所需求的升力、留空时间等参数和使用条件,与航模使 用的条件是类似的,所以作者选择使用航模无感无刷电机作为四轴飞行器的电机。 航模无感无刷电机分为两类,一类是内转子电机,一类是外转子电机。通常内转子 电机转子有 2 个磁极, 定子有 3 个或者更多磁极。 相比之下, 外转子电机转子磁极通常 为 10 个以上, 定子磁极也通常为 10 个以上。 所以内转子的相对于外转子电机更容易达 到高的转速,而外转子电机通常有比较高的扭矩。 对于固定桨距螺旋桨在桨尖线速度不超过 0.7 倍音速时,有如下关系式: 4 2 D n Ct T ⋅ ⋅ ⋅ = ρ5 3 D n Cp P ⋅ ⋅ ⋅ = ρ式中: T—拉力; Ct—拉 力系数; Cp—功率系数 ; ρ—空气密度; n—螺 旋桨转速; D— 螺旋桨直径; 根据关系式,可得出,一般情况下,桨尖线速度不超过音速的 0.7 倍时,桨直径增 大拉力随之增大, 效率随之提高, 需求的扭矩也越大。 所以, 本设计 中选用外转子电机, 使其驱动大直径低螺距的螺旋桨, 以提高力效率 (推力/ 功率) , 使四 轴飞行器拥有较长 的续航时间。 第 8 页 ,共 58 页 航模无感无刷电机型号一般使用 4 位数字表示,例 如 2212, 前二位表 示电机定子的 直径,22mm , 后二位表示电机定子的厚度,12mm 。 一般而言, 定子直径越大扭力越大, KV 值越低(KV 值定 义:输入电压增加 1 伏特,无刷电机空
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