四旋翼飞行器控制系统设计Word文档格式.doc
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mpu6050,electroniccompassHMC5883.
Thirdly,thisarticleintroducesthesoftwaredesignofthequadrotoraircraft'
sflightsystemindetail.Including,coordinatesystem,thedefinitionofattitudeanglesandthecalculationmethodofattitude.Atlas,designsaattitudedetectionsystembasedonquaternionandkalmanfilter.Afterthat,introducesthePIDcontrolalgorithmanddesignsaattitudecontrolsystem.
Keywords Quadrotoraircraft;
Flightcontrolsystem;
PIDcontrolalgorithm
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-I-
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3研究目的与意义 3
1.4研究内容 3
第2章总体方案设计 4
2.1总体方案设计 4
2.1.1总体方案 4
2.1.2姿态测量系统 4
2.2四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 5
2.3主要器件选型 6
2.3.1电机选型 6
2.3.2螺旋桨选型 6
2.3.3传感器选型 7
2.3.4处理器选型 8
2.4本章小结 8
第3章硬件电路设计 9
3.1单片机模块 9
3.1.1ATmega2560单片机简介 9
3.1.2ATmega2560单片机输入输出 9
3.1.3ATmega2560单片机工作电路设计 10
3.2姿态获取模块 11
3.2.1MPU6050传感器 11
3.2.2HMC5883L电子罗盘 13
3.2.3I2C通信协议 15
3.2.4MPU6050及HMC5883L工作电路 16
3.3无线模块 17
3.3.1NRF24L01简介 18
3.3.2NRF24L01工作模式 18
3.3.3NRF24L01数据包处理方式 19
3.3.4SPI通信协议 21
3.3.5nRF24L01工作电路 24
3.4串口通信模块 24
3.4.1MAX232芯片简介 24
3.4.2MAX232芯片引脚介绍 25
3.4.3串口通信电路 25
3.5电机驱动模块 26
3.6电源模块 26
3.7本章小结 27
第4章控制算法介绍及主要程序设计 28
4.1控制算法介绍 28
4.1.1姿态解算 28
4.1.2融合算法 29
4.1.3控制算法 31
4.2软件设计 33
4.2.1整体软件流程 34
4.2.2无线通讯程序设计 34
4.2.3数据采集与数据融合程序设计 36
4.3本章小结 37
结论 38
致谢 39
参考文献 40
附录A 41
附录B 47
附录C 51
附录D 52
四旋翼飞行器控制系统设计 I
DesignofQuadrotorAircraftControlSystem II
目录 III
Abstract IITOC\o"
1-3"
\h\u III
2.1总体方案设计 4
2.1.1总体方案 4
2.1.2姿态测量系统 4
2.2四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 5
2.3主要器件选型 6
2.4本章小结 8
3.1单片机模块 9
3.1.1ATmega2560单片机简介 9
3.1.2ATmega2560单片机输入输出 9
3.1.3ATmega2560单片机工作电路设计 10
3.2姿态获取模块 11
3.3无线模块 17
3.3.5nRF24L01工作电路 23
3.4串口通信模块 24
3.4.1MAX232芯片简介 24
3.4.2MAX232芯片引脚介绍 25
3.4.3串口通信电路 25
3.5电机驱动模块 26
3.6电源模块 26
3.7本章小结 27
4.1控制算法介绍 28
4.1.1姿态解算 28
4.1.2融合算法 29
4.1.3控制算法 31
4.2软件设计 33
4.2.1整体软件流程 34
4.2.2无线通讯程序设计 34
4.2.3数据采集与数据融合程序设计 36
4.3本章小结 37
附录C系统整体电路 51
附录D全部程序清单 52
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-III-
第1章绪论
1.1课题背景
早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。
多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器类与控制理论上的要求非常高,所以一直到本世纪初期，MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。
特别是欧美的一些先进国家，在小型，超小型无人机研究领域中，多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。
欧美据有代表性的科研团队有美国的MIT，德国的AscendingTechnology，法国的Hesychastic，美国的Pennsylvania等。
作为产品来开发的主要有Dragonfly，Micropterous等企业。
这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手于多旋翼无人机的研究开发，分别在06，07年前后研发出各自的新型机体，并在市场上开始了贩卖。
其中Microdrones的产品性能最为稳定，价格也最为昂贵，最低档的产品也要在40万人民币左右。
缺点是因为采用的是低转速的电机，抗风能力弱，载重能力较差，只能搭载200g以下的数码相机，很难搭载其他的传感器来执行任务。
Dragonfly虽然是最早推出产品的公司，但他们的产品在机动性与抗风性上始终没能让客户感到满意。
Micropterous公司走的是DIY路线，供应散件让用户自己组装，同时在网上公布一部分电路图与程序源代码。
虽然在驱动与控制上都存在着许多缺陷，但因为成本低，受到了广大爱好者的青睐。
中国国内流传的4浆飞行器基本上都是Micropterous的复制品。
海外的科研团队除了在飞行控制上持续着深入的探讨之外，近期已把大部分的精力投入到智能飞行上。
目标是实现无人机的室内室外自由飞行，以便执行一些比较复杂的例如解救人质的任务。
近两年，多旋翼无人机的研发步伐日益加快，德国与美国的警察局都已将配备多旋翼机列入日程。
日本也计划在明年将开发的6浆飞行器产业化，用于喷洒农药。
中国国内对多旋翼无人机的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。
代表性的机构有南航、北航、国防科技大学、中南大学、吉林大学等。
大多数的无人机科研机构至今仍然停留在理论探讨及模拟上。
南航、北航等少数科研机构虽制作出了样机，但因缺乏多旋翼机控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的多旋翼无人机研制成功的报道。
因德国的Micropterous公司在网上公开了源程序代码，一些民间企业就模仿Micropterous制作了产品在网上贩卖，但因没有自己的技术支持，虽售价远低于欧美的同类产品，但性能低劣，无任何实用价值。
随着科技的发展，无人机的应用领域已逐渐从军用过渡到民用，警用。
低造价，高飞行性能的多旋翼无人机无疑会对这个过渡起到一个极大的推动作用。
无论在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域，还是针对追捕逃犯，瓦解恐怖活动等的警用领域，都有着很大的需求空间。
各界人士已经提出了对多旋翼无人机的期待希望未来的几年，国内对多旋翼无人机的研发能够取得突破，研发出中国自己的高性能无人机。
1.2国内外研究现状
现在存在的四旋翼飞行器大致分为三类：
一种是利用无线电进行遥控的四旋翼飞行器，另外一种是自主控制的中小型的四旋翼飞行器，还有一种是自主控制的微型四旋翼飞行器这几种飞行器都属于小型的无人飞行器。
现在的遥控航模四旋翼飞行器已经有了很多的产品，其中非常著名的产品是美国Dra-ganflyer公司研究开发的Draganflyerlll和香港的银辉（silveiiit）玩具制品有限公司研制和开发的X-UFO。
Draganflyerlll是一款世界上非常著名的遥控四旋翼飞行器,通常被用作航拍。
机体最大长度（翼尖到翼尖）76.2cm，高18cm,重0.48lcg；
旋翼直径28cm，重6g；
有效载荷0.11kg；
可持续飞行16-20min。
机体的姿态控制是由3个）玉电的晶体陀螺实现的。
另外一款非常著名的就是X-UFO，体积比Draganflyerlll稍微小一些，遥控距离可达100m。
X-UFO的旋翼增加了一T"
发泡聚丙稀制作的圆环，这样可以保证安全性，即减少了在飞行中被损坏，也减少了旋翼伤害到周围的人和环境。
目前针对四旋翼飞行器控制技术的研究主要集中在以下两个方面：
一方面是基于惯性导航系统的自主控制，另外一方面是基于视觉的自主飞行控制。
宾夕法尼亚大学开发了一种小型的四旋翼飞行器，幵发它的主要目的是对机构的设计方法和自主的控制算法做研究与实现。
设计的目标是要实现飞行器能在室内和室外的环境都可以完全自主的飞行。
OS4的最大长度是0.73m,质量是（）.235kg。
旋翼与Draganflyerlll是相同的，电机采用的是Faulhaber1724电机,总共四个。
还有微型惯导系统是Xsense的MT9-B。
飞行测试平台是通过万向节固定起来进行飞行测试。
万向节可以使飞行器有3个转动自由度。
飞行器的外部可以提供能源的供给，数据处理和电机驱动，还有飞行控制模块都是由外部提供。
飞行器的控制算法己经有以下几种FID、LQ、Backstepping、Sliding-mode，实现了对飞行器姿态的控制。
0S4已经有了第二代产品OS4II，它的机身长度为0.72m，重量为0.52kg。
0S4II可以载重230g的锂电池0主的飞行30rnin第二代与第一代主要的区别有：
首先，旋翼采用了桨叶面积更大的新型旋翼，这样可以产生更大的升力。
其次，电机采用的是比上一代轻并且功率更大的LRK直流无刷电机（BLDC）。
再次，电机用皮带代替了原来的电机减速箱。
最后,飞行器的主控板、传感器、电池还有电机的驱动模块都可以直接的安装在机体上，不再需要由外部提供了。
HMX4是一款与Dragannyerlll在机构上大体相似的一款四旋翼飞行器。
飞行器的最大长度为0.76m，重量大约为0.7g。
在机体的底部有5个彩色标记。
这一款飞行器携带摄像头。
摄像头是对地面的标记的位置和面积进行测量。
飞行器通过3轴陀螺仪测量得到姿态角速率,通过计算得到角度。
这样可以实现增加飞行器的姿态控制的稳定性。
研究人员利用控制算法Backstepping，在一个设计的实验平台上实现了自主悬停的控制。
近来，HMX4又开发出了基于机载和地面的双摄像头的视觉定位和惯导系统结合的定姿系统，这样就进一步的提高了测量的精度。
在这种视觉基于视觉的飞行控制可以更好的执行一些更为特殊的任务[1]。
在固定的平台起飞和降落，同时还要与地面的可移动的机器人进行协同等等。
1.3研究目的与意义
微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景；
与此同时，它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一；
另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式（通过控制4只旋翼的转速,实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力,成为国际上新的研究热点。
微小型四旋翼飞行器在军事和民用领域都有广阔的应用前景，极具研究价值。
它的研制不仅是对其自身问题的解决，还能推动其所涉及关键技术的发展。
微小型四旋翼飞行器是一项涉及多门交叉学科的高、精、尖技术，对国防建设是迫切需要和值得发展的研究项目。
本论文设计和测试一种四旋翼飞行器，飞行器通过中央控制器控制陀螺仪等传感器采集自身的状态数据，通过相应的姿态拟合，PID等算法，最终控制电机转速实现飞行器的自身悬停。
1.4研究内容
本设计主要通过单片机采集3轴加速度传感器和3轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制4个微型高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的悬停，内容涉及数学建模、自动控制理论、无刷电机驱动、传感器技术等学科领域。
完成了四旋翼飞行器数学模型的建立，飞行控制系统的总体方案设计，软硬件设计，控制算法。
硬件：
1．采用Mega2560芯片作为控制核心，负责控制各传感器获取姿态数据，并进行姿态拟合和控制参数的计算，最终实现对四个无刷电机的有效控制；
2．传感器采用MPU6050传感器模块，包含三轴加速度传，三轴陀螺仪，实现对飞行器姿态数据的获取；
3．采用最大电流为30A的电调实现对无刷电机的驱动；
4．搭建飞行机整体机架。
软件：
1．MPU6050传感器模块驱动程序；
2．姿态拟合程序；
3．PID控制程序。
第2章总体方案设计
2.1总体方案设计
2.1.1总体方案
本系统主要实现自悬停。
整个控制系统包括电源模块、无线通讯模块、控制器模块。
无线收发模块接受遥控端传来的控制信号，然后将控制信息传送给控制器模块。
传感器模块采用三轴加速度传感器、陀螺仪，电子罗盘实时监测飞行器飞行的实际姿态，并将飞行器的实际姿态数据传送给控制器模块。
控制器模块接收到传感器模块和无线通讯模块传来的目标姿态数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。
系统框架图如图2-1所示。
图2-1系统框架图
2.1.2姿态测量系统
四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量（即称为六自由度）。
传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
因此传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身三轴角速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度计等。
在测量过程中由于陀螺仪存在温漂，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪和加速度计结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。
加速度传感器：
加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角度，利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X，Y，Z轴上，测量出物体的姿势。
陀螺仪：
利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。
跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。
2.2四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理
四旋翼简要示意图如图2-2所示。
电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。
各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。
四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现[2]。
图2-2运动控制原理图
飞行器在三维空间中具有6个运动自由度。
包括3个坐标轴方向的线运动和3个坐标轴方向的角运动。
上下的平移运动是通过4个电机同时增速（减速）得到的，当4个电机的升力之和等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停。
水平面内的前后运动是电机1、2增速（减速）的同时，电机3、4减速（增速），此时保持旋翼1、3对机身的反扭矩等于旋翼2、4对机身的反扭矩，在电机1、2与电机3、4的升力之差作用下机身发生倾斜，得到水平面内的前后运动。
俯仰运动是通过电机1、3转速保持不变，电机2增速（减速）的同时，电机4减速（增速）得到的。
以类似的方法，滚转运动是通过改变电机1、3转速得到的。
偏航运动是电机1、3增速（减速）的同时，电机2、4减速（增速），此时旋翼1、3对机身的反扭矩大于（小于）旋翼2、4对机身的反扭矩，机身便在多余扭矩的作用下得到偏航运动。
组合以上的基本运动，可以实现四旋翼微型飞行器的各种复杂运动。
2.3主要器件选型
2.3.1电机选型
航模中常用的电机主要有有刷直流电机和无刷直流电机两种，前者成本低、控制简单，但重量大且寿命短；
后者成本高、控制复杂，但重量轻且寿命长，而且效率高于前者。
相同体积的无刷直流电机功率远远高于有刷直流电机，因此可以不经减速直接驱动螺旋桨。
电机选型主要看电机的KV值、功率和重量等因素，其中KV值表示无刷电机输入电压每增加1V，其空转增加的转速值。
研宄表明当四旋翼飞行器采用KV值为1000左右的无刷电机直接驱动螺旋桨时效率较高。
朗宇A2216无刷直流电机参数如表2-1所示。
该电机各项参数符合本设计要求，所以本设计选用朗宇A2216无刷直流电机作为飞行器的驱动电机。
表2-1A2216无刷直流电机参数表
说明
参数
KV值
880
重量
85g
拉力
960g
最大电流
17A
最大功率
185W
2.3.2螺旋桨选型
电机与螺旋桨的搭配是非常复杂的问题：
螺旋桨越大，升力越大，但需耍更大的扣力来驱动；
螺旋桨转速越高，升力越大；
电机的KV值越小，扭力越大。
因此大螺旋桨需耍用低KV的电机，小螺旋架需要高KV值的电机。
如果高KV值的电机带大桨，扭力不足，那么电机和电调就很容易烧掉；
如果低KV值的电机带小桨，电机电调没有问题，但产生的升力不足，可能无法起飞。
因此需要通过大量实验才能得出电机与螺旋桨的搭配关系，朗宇公司对A2216-1CV88
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