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四旋翼飞行器


大学生电子设计竞赛 设计报告

参赛序号 参赛题目 参赛队员 指导教师 报告日期 四旋翼自主飞行器设计

摘要:本设计实现基于 STM32 开发板的十字形四旋翼飞行器,四旋翼由主
控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。 其中,控制核心 STM32 负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制;陀螺仪采用 M

PU6050 模块,该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据,输出数据,用 PID 控 制算法对数据进行处理,同时,解算出相应电机需要的的 PWM 增减量,及时调 整电机转速,调整飞行姿态,使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控 制无刷直流电机, 超声波传感器进行测距, 起飞后悬停在一定高度, 打靶后降落。 ?

关键词:四旋翼;PID 控制;陀螺仪,姿态角,电机控制

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目录

1 系统方案 ......................................................................................... 1
1.1 控制系统选择方案 .................................................................................... 1 1.2 飞行姿态控制方案论证 ............................................................................. 1 1.3 角度测量模块的方案论证 ......................................................................... 2 1.4 高度测量模块方案论证 .............................................. 错误!未定义书签。

2 理论分析与计算 .............................................................................. 2
2.1 控制模块 .................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 机翼电机 .................................................................... 错误!未定义书签。 2.3 飞行姿态控制单元 .................................................................................... 3

3 电路与程序设计 .............................................................................. 4
3.1 系统总体设计思路 .................................................................................... 4 3.2 主要元器件清单 ......................................................... 错误!未定义书签。 3.3 系统框图 .................................................................... 错误!未定义书签。 3.3.1 系统硬件框图 .....................................................错误!未定义书签。 3.3.2 系统软件框图 .....................................................错误!未定义书签。

4 测试方案与测试结果....................................................................... 5 5 结论 ................................................................................................. 6

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1 系统方案
系统主要由 stm32 控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、 超声波测距模块和投弹打靶模块等六部分组成,采用十字型飞行模式,下面分别 论证这几个模块的选择。

1.1 控制系统选择方案
方案一: 主控板使用 pcduino。其内存大而且板子体积较小,重量较轻,对四旋 翼的载重量要求较低。但是它对电源的要求较高,而且 I/O 口较少,我们刚开始 学习使用,不是很熟悉,对于四旋翼的需要不够。 方案二: 主控板使用 stm32。Stm32 板子的 I/O 口很多,自带定时器和多路 PWM, 可以实现的功能较多, 符合实验要求。 Stm32 迷你板在体积和重量上也不是很大, 对飞机的载重量要求不是很高。 综上所述,我们选择了方案二。

1.2 飞行姿态控制方案论证
方案一: 十字飞行方式。 四轴的四个电机以十字的方式排列, x 轴和 y 轴成直角, 调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整,角度融合简单,适合初学者,能明确 头尾,飞行时机体动作精准,飞控起来也容易。 方案二: X 行飞行方式。四轴的四个电机以 X 字的方式排列,灵活性和可调性较 高,调整的时候应该相邻两个融合调节,融合复杂。X 型飞行方式非常自由 灵活,旋转方式多样,可以花样飞行,也可以做出很多高难度动作,但是控 制上相对比较困难。

综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试,所以选择了方案一。

1

1.3 角度测量模块的方案论证
方案一: 光纤陀螺仪。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件, 由激光二 极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化,决定了敏感 元件的角位移。光纤陀螺仪寿命长,动态范围大,瞬时启动,结构简单,尺寸小, 重量轻,但是成本较高,鉴于我们这是初次尝试,需要多次实验,破坏较大。 方案二: MPU6050 三轴陀螺仪。MPU6050 三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三 个不同方向的加速度、角速度、角度。单轴的话,就只可以测定一个方向的量, 那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。 它现在已经成为激光陀螺的发展趋 向,具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点,但是其 输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度, 这样会影响主控板对最终的 姿态控制的响应速率。 综合以上两种方案,我们选择了方案二

2 理论分析与计算
2.1 Pid 控制算法分析
由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推力,所以如何保 证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比 例关系是飞行器按照期望姿态飞行的关键。所以这里我们采用到 pid 控制理论把 飞机的当前姿态调整到期望姿态。

比例

r(t)
_

e(t) 积分 微分

u(t) 被控对象 C(t)

2

Pid 控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对,如果存 在误差,就对误差进行比例、积分、微分的调整,再将调整后的值加到当前电机 上,从而达到调整的目的。比例调节的反应速度较快,而且调节作用明显,飞机 出现俯仰和翻滚时能快速调节回来,但是稳定性较差,往往会调节过火;积分调 节可以消除长期误差, 排除外界因素的干扰, 但是同样会降低系统整体的稳定性, 使飞机发生震荡;微分调节可以预测被控设备的将来状态,及时的进行调整,而 且对比例调节有抑制作用,加强单比例调节的稳定性,排除调节过度的问题。所 以通过 pid 控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来,以使系统达到稳 定。

90? 3 转 化 飞 行 器 油 门

0?

量 化

Pid 调节

-3 -90 ?

2.2 飞行姿态控制单元
飞行器模拟图如下图, 姿态控制是通过陀螺仪模块进行数据的采集,根据它 采集回来的俯仰角(pitch) ,翻滚角(roll) ,四旋翼采用十字型连接,这样的话 能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态,进行分别控制。这时如果飞机处于俯仰状态就 调机头和机尾的电机, 那边高就减小那边电机的转速,相应的那边低则加大那边 电机的转速。如果飞机处于翻滚状态,则调左右电机。

3

Yaw 左

2 Roll





4 3 Pitch 1 头 头 右

3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图

4

3.2 程序的设计
3.2.1 程序设计流程图

4 测试方案与测试结果
1、硬件测试 首先,先把四轴飞行器分块拆解,用最小的最轻的元件和电路板按照配重的 需要安装在四轴飞行器上。 再用物理方法测量重心,使其重心维持在四轴飞行器 的中心。 连线接头要保证其牢固性,电池,主控板,陀螺仪要等机械硬件要使其牢固 安装在飞机上。 这个硬件测试最关键的是 PID 的是三个参数调试,先调 p 参数,p 参数是调
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整反应速度和力度的,当它反应迅速且两边等幅振动时即可确定 p 参数,再调 d 参数,d 参数是一个抑制的作用,抑制它调制过大,使它保持在平衡位置的,当 从任意角度都可以一次直接返回平衡位置时即可,最后调 i 参数,i 参数是积分 项,当哪一边反应过小时可以加一个 i 参数。这样就测试出一组适合的 PID 参数 了。 2、软件仿真测试 在调试程序之前,可用串口显示每个电机 PWM 输出,观察各种姿态下 PID 控制后电机油门的大小。 3、硬件软件联调 通过 stm32 编程,模仿出 PWM,并测量是否能通过电机驱动来使飞行器起 飞,通过多次测试,找出飞行器起飞时的 PWM 值。 mpu6050 模块通过串口向主控板发送数据,并在电脑上利用串口接收,检测 数据是否正确,通过软件编程针对显示的数据进行修改。 通过 mpu6050 模块使四轴飞行器稳定的起飞,并悬停在空中;再进行测试, 使四轴飞行器前进和后退;最后进行降落的测试。 通过超声波的测量使其悬停在 100cm 的空中,在进行前进后退的校准,使其 飞行足够准确,之后进行对引导线的识别,使飞机平稳前进。 最后通过通过对直径为 10cm 的黑圆圈进行测试,使其测量到,并使四轴飞 行器投弹打靶,打靶完毕后降落在黑色圆圈内。

5 结论

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