无线遥控的四轴电机驱动模块设计

- 1 -普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 无线遥控的四轴电机驱动模块的设计学 院 电气与信息工程学院 专 业 班 级 学 号 - 2 -姓 名 指导教师 2016 年 5 月 17 日摘 要四轴飞行器是成本比较低的遥控控制飞行对象。和其他的形式的飞行机器对比，四旋翼飞行器软件复杂（尤其是算法），而硬件层面简单精细。本文介绍一个通过无线遥控方式，控制被控端的四轴电机完成正反转及调速（被控端具有初步的自身姿态调整功能）控制方案的设计。文中重点介绍了硬件系统的工作原理和软件算法原理，主要包括遥控模块、飞控控制硬件模块组成和飞行姿态解算几个内容。遥控模块采用2.4GHz 无线通信技术，飞控模块采用嵌入式系统结合陀螺仪及加速度传感器构成，完成姿态解算和飞行控制功能。姿态解算采用基于四元数的姿态解算互补滤波算法，通过读取传感器的数据，把这些数据解算成飞行器的姿态，并用四元数和欧拉角分别表示出来。最后通过飞行器 PID 参数调试让飞控达到理想的状态。关键词： 遥控； 无线通信； 四轴飞行器； 控制； 姿态- 3 -The design of Quadcopter motor drive module by wireless remote control Cheng-wen HuangAbstractQuadcopter is a low cost of the remote control flight objects relatively. Compare with other forms of flight machine, quadcopter is complex (especially algorithm) on software, and the hardware level is simple and exquisite. This thesis introduces a design of quadcopter motor which is controlled by a wireless remote control system, the system can change quadcopter motor speed and reverse. This thesis focuses on the system hardware working principle and the software algorithm, including remote - 4 -control module, flight control hardware modules and the flight attitude control solution. Remote control module uses 2.4GHz wireless communication technology, and flight control module uses embedded system combines gyroscopes and accelerometers, accomplish the attitude calculation and the flight control functions. Attitude solution uses the attitude estimation based on quaternion complementary filter for the quadcopter, reading the sensor data and change into the attitude of quadcopter, express it by the quaternion and the Euler angles respectively. Finally, through the debugging of PID parameters for quadcopter to achieve the ideal state.Key words:remote control;Wireless communication;quad-rotor;control;attitude目 录第一章 绪论 .- 1 -第一节 课题背景 .- 1 - 5 -1.1.1 遥控的发展概况 .- 1 -1.1.2 四轴飞行器的发展概况 .- 1 -第二章 工作原理 .- 2 -第 1 节 飞行原理 .- 2 -2.1.1 坐标系统 .- 2 -2.1.2 力学原理 .- 2 -2.1.3 姿态解算的意义 .- 3 -2.1.4 姿态的表示方法 .- 3 -第三章 方案设计 .- 5 -第 1 节 遥控器的构成 .- 5 -3.1.1 硬件构成 .- 5 -3.1.2 软件实现 .- 11 -第 2 节 被控端的构成 .- 12 -3.2.1 硬件构成 .- 12 -3.2.2 机械构成 .- 16 -3.2.3 软件实现 .- 16 -第 4 章 数据处理 .- 18 -第 1 节 飞行器的姿态解算 .- 18 -4.1.1 PID 算法 .- 18 -4.3.2 飞行器 PID 参数调试 .- 20 -4.3.3 基于四元数的姿态解算互补滤波算法 .- 22 -结束语 .- 25 -致谢 .- 26 -参考文献 .- 27 - 6 -附录 .- 28 - 1 -第一章 绪论第一节 课题背景1.1.1 遥控的发展概况这些年来，无线通信技术与人们的生活中息息相关，遥控是无线通信技术中最主要的产品之一。目前遥控器主要分为红外遥控器和无线电遥控器两种，两者各有不同的优势，应用的领域也有所区别。红外遥控器的电路调试简单，编码容易，成本较低，不受周边环境影响，不干扰其他电器设备，但是控制范围较短（一般在 10 米以内），而且是有方向性的，不能穿透障碍物。所以一般用于家用电器（电视、空调遥控器等等）。无线电遥控器的控制范围较高，没有特定的方向，穿透力较强，但是发射功率大耗电大，容易受到电磁的干扰，通常用于汽车遥控、智能家居等等。1.1.2 四轴飞行器的发展概况四轴飞行器又称四旋翼、四转子，是一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。和固定翼飞机不同，它通过旋翼提供的推力使飞机升空。它的四个旋翼大小相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态和完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见的直升机就有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩和控制飞机偏航运动的作用。随着科技不断发展进步，尤其是 MEMS 技术的发展和电机技术的使用，还有数学算法和建模的成熟，创造出了小巧、稳定、结构简单的四轴飞行器。其中微型四轴飞行器的成本十分低廉（可以做到百元内）。四轴飞行器的应用非常广泛，可以用于军事、科学研究和民用。在民用领域，四轴飞行器可以用于影视航拍、农业植保、渔业监管、个人玩具等等。国内比较知名的无人机公司有深圳市大疆创新科技有限公司等等。- 2 -第二章 工作原理第 1 节 飞行原理2.1.1 坐标系统飞行器的坐标系统是二维空间指教坐标系统，分别是地理坐标系和机体坐标系。地理坐标系是固定的，连接在地面上的坐标系。机体坐标系也是固定的，连接在飞行器上的坐标系。由于四旋翼飞行器的运动范围比较小，所以可以不考虑地面曲率。人们习惯性上将地面假设为惯性系。坐标地理使用 Y 轴上北下、X 轴南左西右东、Z 轴上天下地，坐标零点位于机架中心板中心。如图 2-1 所示为坐标示意图。图 2-1 坐标示意图X、Y、Z 轴与各个选择轴之间符合右手螺旋定则。各个旋转方向命名为 PIT(俯仰)、ROL(横滚)、YAW(偏航)。由于四轴的运动基本是由于倾斜后的分力在起作用，因此后面主要的解算和分析都是围绕着这几个旋转量。- 3 -2.1.2 力学原理四轴飞行器通常有两种模式，十字模式与 X 字模式。本次设计采用的是 X 字模式。四轴飞行器通过改变自身四个旋翼的转速，可以比较灵活地进行各种飞行动作。主要依据的运动原理是力的合成与分解，以及空气转动扭矩的反向性。为了描述方便，将四个电机编号为 1-4 号。如下图 2-2 所示 X 字模式的电机旋转方向和编号。图 2-2 X 字模式的电机旋转方向和编号四个电机相邻的两个旋翼的转动方向相反，而在对角线上的两个电机转动方向相同。1、4 两个电机都是顺时针转动，而 2、3 电机是逆时针转动。这样一来，为了保证它们产生的升力都是向上的，1、4 电机需要使用的螺旋桨是正桨，一般指顺时针转动时能产生向上升力的桨；而 2、3 电机使用的螺旋桨是反桨，即逆时针时产生向上升力的桨。四个旋翼都是向下吹风的，以便都提供向上的拉力。顺时针转动的桨在转动时，空气会产生是的四轴逆时针转动的反向扭矩。而当 1、4 同方向，2 、3 同方向的时候，这两个扭矩就恰好抵消掉了，使得四轴在偏航方向能保持平衡，不至于出现自旋转。四轴飞行器一共有八种比较典型的运动情况，可以概括为：上升、下降、左旋、右旋、左飞、右飞、前飞、后飞。2.1.3 姿态解算的意义姿态解算即指控制器读取自身传感器数据，实时进行计算四轴飞行器的姿态角，比如翻滚角 roll，俯仰角 pitch，偏航角 yaw，控制器根据这些信息即可计算 4 个电机的输出量，使飞行器保持平衡稳定或者保持一定倾斜角度使飞行器朝着某设定方向飞行。姿态解算是飞行器飞行的关键技术之一，解算速度和精度直接关系到飞行器飞行中的稳定性和可靠性。- 4 -姿态解算的方法有很多，比较典型的方法有扩展型卡尔曼滤波算法 EKF、互补滤波算法等。扩展型卡尔曼滤波算法具有高精度的特点，但其计算量大，并要求建立精确的动力学模型，因此并不是实现微型四轴飞行器的最佳选择。而互补滤波算法对传感器的精度要求相对较低，计算量也不大，在微小四轴飞行器的姿态解算中应用最广。2.1.4 姿态的表示方法四轴飞行器的姿态表示有很多种方法，最常用的为欧拉角表示方法，即为翻滚角、俯仰角和偏航角。另外还有旋转矩阵表示法和四元数表示法。一、旋转矩阵和欧拉角、转轴-转角表示法旋转矩阵用于表示一个坐标系在另外一个坐标系的姿态。若飞行器姿态用旋转矩阵R 表示，则 R 具有以下性质：1、两个向量的点积在他们都被同一个旋转矩阵操作（相当于旋转）之后的点积相等，例如 a b = Ra Rb，其中 a 和 b 为两个任意 3x1 的向量；2、旋转矩阵的逆即为其转置，即 R 的负一次方等于 R 的 T 次方。欧拉角可以直接从旋转矩阵中直接读出飞行器的姿态，故被广泛接受。从一个坐标系（比如静置的全局坐标系 Fw）转到另一个坐标系（比如运动的飞行器自身坐标系 Fb）可以有不同的迅速。常用的旋转顺序有 Z-X-Y 或者 Z-Y-X，航空航天上也称之为 Tait-Bryan 角。以下以 Z-Y-X 欧拉角举例详细说明。假设全局坐标系 Fw 固定于地面保持静止，而随飞行器转边的坐标系 Fb 初始姿态与 Fw 是重合为 F，然后 F 按以下顺序旋转至最终的姿态Fb：Fb0 绕着 Fw