全国电子设计大赛省一获奖论文四旋翼.docx
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全国电子设计大赛省一获奖论文四旋翼
学校统一编号:
HLJ-B-
学校名称：
哈尔滨理工大学
队长姓名：
学生姓名：
指导教师：
时间：
四旋翼自主飞行器
摘要
四旋翼的结构是一种比较简单和直观化的稳定控制性飞行器。
通过调节4个电机转速改变旋翼转速，改变升力的变化调整飞行器的姿态和位置。
四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该类无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。
四旋翼的动力来源为无刷直流电机，采用单边pwm的控制方式实现电机的调速，采用三段式启动方式实现电机的软启动。
用超声波传感器测距是四旋翼飞行器定高，采用ov7620摄像头循迹使飞行器从A区到B区。
通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程实现，模拟相应的飞行姿态，实验结果表示四旋翼实现自主飞行、自主悬停控制。
关键词：
四旋翼飞行器；无刷直流电机；PWM
abstract
Thestructureofthefourrotorisarelativelysimpleandintuitivestabilitycontrollingaircraft.Byadjustingthefourmotorspeedchangetherotorspeed,thechangeofliftchangeaircraftattitudeandposition.Fourrotoraircraftpowersourceisbrushlessdcmotor,soforthisclassofbrushlessdcmotorspeedcontrolsystemplaysadecisiveroleontheperformanceoftheaircraft.Fourrotorpowersourceforthebrushlessdcmotor,motorspeedcontrolisrealizedbyusingunilateralPWMcontrolmode,thethree-stepstartupmodewasadoptedtorealizemotorsoftstart.Fourrotoraircraftwithultrasonicsensorrangeissethigh,useov7620cameratrackingmakeaircraftfromareaAtoareaB.Throughthestudyoffourrotorworkingmodeandthecontrolparameters,getthecorrespondingcontrolalgorithm,andthensimulatetheflightattitude,programmingtheresultssaidfourrotortorealizeautonomousflight,hoveringcontrolindependently.
Keywords:
fourrotoraircraft;Brushlessdcmotor;PWM
目录
四旋翼自主飞行器1
摘要1
一、设计任务5
1.1任务5
1.2.1基本要求7
1.2.2发挥部分7
二、方案论证8
1、控制器模块方案8
三、理论分析与计算8
1、系统硬件设计与实现8
1.1陀螺仪和加速度传感器9
1.2控制系统10
1.3超声波传感器10
1.4摄像头ov762011
2、软件系统设计12
2、1PWM脉冲宽度调制12
2、2数学PID控制算法13
四、测试结果与误差分析14
1、飞行测试14
2、无刷电机测试14
五、结论、心得体会15
参考文献15
附录：
16
附录1：
元器件明细表16
附录2：
仪器设备清单16
附录3：
程序清单16
一、设计任务
1.1任务
四旋翼自主飞行器（下简称飞行器）摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。
飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。
飞行区域俯视图和立体图分别如图1和图2所示。
图1-1飞行器俯视图
图1-2飞行区立体图
1.2设计相关要求
1.2.1基本要求
（1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器）摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。
（2）飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。
1.2.2发挥部分
（1）飞行器摆放在A区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并起飞。
（2）飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向B区，并在空中将薄铁片投放到B区；飞行器从示高线上方返回A区，在A区降落并停机。
（3）以上往返飞行时间不大于30s。
（4）其他。
二、方案论证
1、控制器模块方案
方案一：
采用通俗的51单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手很快。
但是本系统的程序量较大，需要的I\O口资源较多，需要输出四路PWM波控制电调转动，51单片机难以胜任。
方案二：
系统采用瑞萨公司所生产的R5F100LEA单片机为主控制芯片，单片机算数运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于功耗低，体积小、技术成熟和成本低等优点，使其运用灵活方便。
三、理论分析与计算
四旋翼微型飞行平台呈十字形交叉，由4个独立电机驱动螺旋桨组成，如图1所示。
当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨（如1与3）转向相同，相邻的螺旋桨（如1与2）转向相反。
同时增加减小4个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨的速度，可以产生滚动、俯仰等运动。
图1四旋翼飞行器结构示意图
1、系统硬件设计与实现
四轴飞行器的机械结构需保证均匀性、对称性和稳定性。
均匀性要求材料的质地要均匀，对称性要保证机械架构三维生的对称性，稳定性要求机械器件连接牢固并且在起飞和着陆时机架有抗击能力。
机身支架的材料使用硬质塑料，身机为
mm方形框架，旋翼直径10mm，厚度1.5mm。
其硬件组成如图1所示,主要包括角速率陀螺、加速度计、超声波传感器、微处理器、舵机控制接口、有效任务载荷接口以及电源等。
图2为飞行控制系统硬件框图。
图2飞行控制系统硬件框图
1.1陀螺仪和加速度传感器
陀螺仪主要用于飞行器保持平衡。
陀螺仪的测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。
陀螺仪实际上等效于三个角度传感器，内部通过MEMS工艺做出了一个参考坐标系，当芯片的坐标相对参考坐标发生旋转时，芯片会读出这个差异。
因此，测量XYZ轴线的倾角变得可以实现。
利用陀螺效应，感知你陀螺仪中陀螺的相对方向，经过单片机处理与初始状态比较感知陀螺的方向。
这就让他可以对飞机等的运动方向进行感知，如有偏航可以立刻对制动系统发出指令进行修正。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，很多情况下都是和陀螺仪搭配用的。
加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。
加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。
当仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因惯性而绕输出轴转动，传感元件将这一转角变换为电信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。
力矩器产生的反馈力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。
输送到力矩器中的电信号（电流的大小或单位时间内脉冲数）就被用来度量加速度的大小和方向。
加速度传感器测量运载体线加速度的仪表，在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。
图4为加速度计示意图。
图3角速度变化与陀螺输出的关系
图4加速度计示意图
1.2控制系统
四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分，飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。
飞行控制系统通过IMU惯性测量单元（由陀螺传感器与加速度传感器组成）检测飞行姿态。
4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电。
飞行器控制器要能够通过采集处理微型MEMS惯性器件和三维地磁传感器数据．计算飞行器的姿态角和航向角，并根据飞行指令和任务要求，结合相应的控制律给出适当的控制信号，控制飞行器的执行机构，改变飞行器的姿态和位置等[1]。
飞行控制器的主要功能如下：
1）提供多个通信信道，使飞行器与陀螺仪、磁航向计、高度计、导航系统、地面测控系统通信；
2）提供足够的存储空间，以满足复杂控制软件的实现；
3）检测飞行器的状态量，包括高度、速度、航向、姿态等；
4）通过RS232串行接口与地面测控系统通讯，一方面获取地面的控制信号．另一方面将飞行器的状态信息回传给地面；
5）飞行器能工作在手动／自主的切换模式。
1.3超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片（双晶振子）施加40KHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播（疏密程度可由控制电路调制），并传给波接收器。
接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40KHz正弦电压。
图5为超声波传感器的电路图。
需要用超声波传感器来测距定高选择的工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ，基本类型为分离式反射型，通过标准的
总线输出高度信号。
图5超声波传感器电路图
1.4摄像头ov7620
OV7620是OmniVision公司生产的CMOS彩色图像传感器,其内部集成了感光单元和A/D转换器件,并且提供了提供8/16位CCIR601、CCIR656等格式视频数字信号接口。
它支持连续和隔行两种扫描方式;最高像素为664@492,帧速率为30f/s;数据格式包括YUV、YCrCb、RGB3种,OV7620内置可编程功能寄存器并且设置有上电模式和SCCB编程模式。
OV7620的数字图像输出接口为YcrCb16位/8位可选模式和RGB16位/8位可选模式两种组态[2]。
YCrCb即YUV,主要用于优化彩色视频信号的传输。
与RGB视频信号传输相比,它最大的优点在于只需占用极少的频宽。
其中/Y0表示明亮度,也就是灰阶值;而/U0和/V0表示的则是色度,作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。
采用YUV色彩空间的优点是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。
如果只有Y信号分量而没有U、V分量,那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。
视觉导航应用中,图像只有路面和引导线两种颜色,因此只需对灰度信号进行处理就可识别出路径实现导航。
因此在本文中主要讨论在320@240分辨率下处理8位Y信号分量,实现导航的方法。
OV7620要实现输出一帧完整的图像,除了8位Y信号分量外还有4个同步信号配合实现视频帧的输出,他们分别是垂直同步信号VSYNC、奇数场同步信号FOOD、水平同步信号HSYNC和像素同步信号PCLK。
采用连续扫描方式时只需要VSYNC和HSYNC、PCLK三个信号,其逻辑关系如图6所示.
图6OV7620数据输出时序
2、软件系统设计
2、1PWM脉冲宽度调制
四旋翼飞行器在起飞、降落时，存在加速和减速。
控制时需要调节PWM信号占空比。
飞行时如果加速度太大会因短时间内冲量过大对机身造成伤害，这就需要匀变速缓冲，使飞行器能较为平稳的加速或减速。
主程序流程图如7所示。
图7软件流程
2、2数学PID控制算法
本系统使用的数字PID控制算法，具有较强的灵活性。
可以根据经验和试验在线调节参数。
P是比例环节，I是积分环节，D是微分环节。
为控制处理器是采样控制，只能根据采样时刻偏差值计算控制量进行离散式控制形式。
在离散化PID过程中令T为采样周期，k为采样序号，连续时间t用离散时间
表示，用求和形式代替连续时间积分形式，用增量形式代替连续时间微分形式。
（1）
（2）
（3）
将（3）代入模拟PID的计算表达式
（4）
其中Kp为比例系数，T1为积分常数，TD为微分常数。
可得到离散PID表达式
（5）
式（5）中，定义积分系数
微分系数
。
在电动电机控制系统中，一般采用增量式PID算法，根据推理原理可得
（6）
（7）
将飞行器质量参数、角度参数代入（6）和（7）中，经化简后可得
，经matlab仿真后可得PID仿真图。
图8PID仿真图
在调试过程中，系统由于受到阀值电压的限制，放大器饱和度等约束，PID算法不能达到预期值，必须经过修正才能达到系统要求（称作饱和效应），即只有在
范围内满足条件。
飞行器在大幅度加减速时，短时间内产生较大偏差，使PID控制运算积分积累较大，超过系统有效执行范围。
为了消除和减弱上述问题，可在偏差较大时，去掉积分过程，避免或减弱饱和效应。
四、测试结果与误差分析
1、飞行测试
反复进行试飞，进行采集数据，在不同的高度测试四个电机的不同PWM信号值，此值为飞行器起始值状态。
如表1所示
表1起始状态值
通道
周期
占空比
幅值
通道一
（ROLL）
19.73ms
7.605％
3.64V
通道二
（PITCH）
19.28ms
7.780％
3.64V
通道三
（THRO）
19.73ms
7.605％
3.64V
通道四
（YAW）
18.61ms
8.048％
3.60V
2、无刷电机测试
三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件，选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用。
由于四旋翼飞行器要实现自主悬停的关键是需飞行器在倾斜时能在最短的时间内回到平衡位，这就要求执行机构能够快速反应，即能迅速地增或减小转速。
针对四旋翼飞行器，执行机构中选用无刷电机，无刷电机需要配以无刷电调使用。
常见商品电调采用的是PPM信号周期为ms，这样的响应速度不能适应四飞行器对马达制响应速度的需求，因此，需要采用自行设计的接口电调，它的响应周期为2m，控制器通过检测反电势过零点控制电机换相进控制电机转速，无刷电调设计的关键技术是如何现反电势过零检测，尽管可以用AD实现过零检，但采用AD采样方式会增加程序的运行时间降效率，并且由于不需要获取每时每刻的电压值，因只需检测反电动势过零的时刻，使得问题得到简化。
五、结论、心得体会
经过初步调试,该硬件平台各项功能均达到设计目的,通过这次比赛使我在工程的理论知识与实践经验相结合有了更深一步的理解，在比赛过程中遇到了很多困难，但是都被我们一一解决，让我体会了集体的温暖与集体蕴含的力量是多么的强大，不管最后结果如何，至少我们为这个比赛奋斗过、努力过。
很多次我们的困难使我们只能从头再来，时间在一点一点的流逝，但我们都坚持下来了。
这次比赛相比较于学知识，更让我们学到一种精神，一种不服输、不放弃、团结同伴的精神。
参考文献
1、李振鹏,龚剑.J2ME手机游戏开发技术详解.北京:
清华大学出版社,2006
2、池雅庆.J2ME手机应用项目开发实践.北京:
中国铁道出版社,2007
3、王森.Java手机程序设计入门与应用.北京:
中国铁道出版社,2003
4、EckeB.lJava编程思想.北京:
机械工业出版社,2007
5、谢晓勇,黄奇.J2ME程序设计手机游戏与应用程序.北京:
北京大学出版社,2009
6、孙更新,宾晟,孙海伦.JavaME手机应用开发大全.北京:
科学出版社,2008。
7、杨明志.四旋翼飞行器自动驾驶仪没计[D].南京：
南京航空航天大学自动化学院，2008.YANGMing-zhi.Four-RotorAircraftAutopilotDesign[D].Nanjing:
CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversi
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8、刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：
电子工业出版社，2004.LIUJin-kun.AdvancedPIDControlandMATLABSimulation[M].Beijing:
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9、POUNDSP，MAHONYR，HYNESP，eta1．Designoffour-rotoraerialrobot[C]／／AustralasianConferenceonRobotiesandAutomation．Auckland：
NewZealand。
2002：
145-150．
附录：
附录1：
元器件明细表
R5F100LEA（瑞萨MCU）
A/D、D/A转换器
可编程逻辑器件及其下载板
显示器件
小型继电器
小型电机
带防撞圈的四旋翼飞行器
角度传感器
超声传感器
摄像头
附
附录2：
仪器设备清单
60MHz双通道数字示波器
100MHz双通道数字示波器
低频信号发生器（1Hz~1MHz）
五位半数字万用表
附录3：
程序清单
#include"r_cg_macrodriver.h"
#include"r_cg_cgc.h"
#include"r_cg_timer.h"
#include"r_cg_userdefine.h"
#include"mpu3050.h"//加速度角速度融合器
#include"7620.h"//摄像头
voidR_MAIN_UserInit（void）;
inta=3000;
intb=3000;
intc=1900;
intd=3000;
#defineNUM1800
voiddelay1（unsignedinty）
{
inta,b;
for（a=0;a<2000;a++）
for（b=y;b>0;b--）
{
NOP（）;
}
}
voiddelay（unsignedintx）
{
inti,j;
for（i=0;i<250;i++）
for（j=x;j>0;j--）
{
NOP（）;
}
}
voidmain（void）
{
R_MAIN_UserInit（）;
R_TAU0_Channel0_Start（）;
R_UART0_Start（）;
TDR01=a;
TDR02=b;
TDR03=c;
TDR04=d;
delay1（10000）;
TDR01=3195;
TDR02=2739;
TDR03=2051;
TDR04=3940;
delay（8000）;
TDR03=2051;
TDR04=2850;
delay（75）;
TDR03=3400;
delay（75）;
TDR03=3850;
delay（75）;
TDR03=4250;
delay（75）;
TDR03=4750;
delay（75）;
TDR03=4800;
delay（500）;
TDR03=4950;
delay（NUM）;
TDR03=4450;
delay（NUM）;
TDR03=4075;
delay（NUM）;
TDR03=3850;
delay（NUM）;
TDR03=3700;
delay（NUM）;
TDR03=3650;
delay（NUM）;
TDR03=3500;
delay（NUM）;
TDR03=3450;
delay（NUM）;
TDR03=3300;
delay（NUM）;
TDR03=3250;
delay（NUM）;
TDR03=3100;
delay（NUM）;
delay（NUM）;
TDR03=3050;
delay（NUM）;
TDR03=3000;
delay（NUM）;
TDR03=2950;
delay（NUM）;
TDR03=2900;
delay（NUM）;
TDR03=2850;
delay（NUM）;
TDR03=2800;
delay（NUM）;
TDR03=2650;
delay（NUM）;
TDR03=2550;
delay（NUM）;
TDR03=2400;
delay（NUM）;
TDR03=2350;
delay（3500）;
TDR03=2200;
delay（3500）;
TDR03=2150;
delay（3500）;
TDR03=1900;
TDR04=1900;
while
（1）;
{
}
}
voidR_MAIN_UserInit（void）
{
EI（）;
}
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