开题报告-基于STM32的四旋翼飞行器设计.doc

毕业设计（论文）开题报告 题目 基于STM32的四旋翼飞行器设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号学 生 姓 名指 导 教 师 填 表 日 期 2015 年 3 月 15 日一、选题的依据及意义四旋翼飞行器是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，布局可分为十字形或X字形，微处理器读取传感器数据进行姿态解算，通过改变电机转速获得旋转力和升力，从而调整自身姿态。四旋翼飞行器具备飞行器所有优点，同时又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。2、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）四旋翼飞行器诞生于1907年，由Breguet兄弟设计制造，但是可操控性差1。受限于当时科技水平，之后十几年并没有太大发展。近几年，微处理器、新型材料和控制理论取得很大突破，四旋翼飞行器取得了长足的发展。当下四旋翼飞行器主要是往无人机方向发展，并且尺寸都相对较小，比如斯坦福大学研究的四旋翼飞行器Mesicopter机架的边长只有16mm2。国外有许多高校和研究机构都参与到这一领域，都取得一定成果。美国斯坦福大学的Tomlin教授领导的小组开发了STARMAC系统，历经两代改进，其中在一代上，该小组采用线性最优二次型调节器（LQR）进行姿态调节，滑模控制进行外环位置控制，取得了室内试飞成功3。美国Draganflyer公司研制的Draganflyer 采用碳纤维和高性能塑料作为机身，使用了三个压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制4。国外还有一款著名的APM开源飞控，它的强大的性能，超高的性价比，吸引了全世界众多爱好者参与到其中，APM团队共开发了APM1，APM2和PX4三款产品，最大特点是该飞控不仅支持四旋翼飞行器，还支持六选翼和八旋翼，甚至支持固定翼56。国内研究四旋翼飞行器起步较晚，但是目前已经获得很大突破。国内参与的高校非常之多，比如国防科技大学，哈尔滨工业大学，北京航空航天大学等7。国防科技大学的聂博文同学基于Backstepping算法设计其控制系统，并设计了自抗扰控制器进行姿态增稳和飞行高度控制，利用Lyapunov方法分析其稳定性。国内的商用无人机厂商发展相当迅速，如大疆创新科技有限公司2006年成立，占据了全球无人机50%的份额8。国内还有众多开源团队，比如圆点博士小四轴，匿名四轴。现在研究四旋翼飞行器已经是个大潮流，但是还有诸多问题没有解决，如有效载荷较小，续航时间短，精确建模困难，抗干扰能力弱等问题。3、 研究内容及实验方案1、系统硬件电路设计及制作本毕业设计用CAD设计印刷电路板的外形，用Altium Designer电路的原理图和印刷电路板。以STM32F103C8T6为主控芯片，MPU6050为惯性测量元件，NRF24L01为无线通信模块，采用场效应MOS管驱动720空心杯电机，使用55mm的螺旋桨。考虑到飞机重量问题，所以其他电阻和非极性电容统一采用0603封装。电路设计方案：飞控系统各模块设计。用面包板搭建各个模块硬件电路，编写相应的程序进行验证。使用Altium Designer将通过验证的各个模块硬件电路绘制出硬件原理图。使用Altium Designer设计飞控的PCB。PCB的布线采用模块独立布线，例如主控电路电源地与电机驱动电路电源地采用电感隔离，防止电源不稳造成控制芯片复位。对于PCB敷铜，主控电路与驱动电路分开敷铜。2、控制算法研究目前主流的姿态解算方法有：欧拉角算法，四元数法，方向余弦法，旋转矢量法9。欧拉角算法通过求解欧拉角微分方程直接计算航角、俯仰角和横滚角。欧拉角微分方程关系简单明了，概念直观，容易理解，解算过程中无需作正交化处理，但方程中包含有三角运算，这给实时计算带来一定困难。而且当俯仰角接近90时方程出现退化现象，这相当于平台惯导中的惯性平台的锁定，所以这种方法只适用于水平姿态变化不大的情况，而不适用于全姿态运载体的姿态确定。方向余弦法对姿态矩阵微分方程做求解，避免了欧拉角法中方程的退化问题，可全姿态工作。但姿态矩阵微分方程实质上是包含九个未知量的线性微分方程组，与四元数法相比，计算量大，实时计算困难，所以工程上并不实用。四元数法，只需求解四个未知量的线性微分方程组，计算量比方向余弦法小，且算法简单，易于操作，是较实用的工程方法。但是四元数法的实质上是旋转矢量法中的单子样算法，对有限转动引起的不可交换误差的补偿程度不够，所以只适用于低动态运载体（如运输机等）的姿态解算。而对高动态运载体，姿态解算中的算法漂移会十分严重。旋转矢量法可采用多子样算法实现对不可交换误差做有效补偿，算法关系简单，易于操作，并且通过对系数的优化处理使算法漂移在相同子样算法中达到最小，因此特别适用于角机动频繁激烈或存在严重角振动的运载体的姿态更新。3、系统软件设计本毕业设计系统软件可以采用很多种语言进行编程，比如汇编语言，C语言，C+语言。汇编语言比C/C+的效率高很多，但是可读性不强，尤其是对于四旋翼飞控这种大型系统。采用C语言或C+语言编程则拥有更好的可读性，可移植性强。C+可实现函数的重构、模板，这一点在飞控进行向量计算时拥有较好的运算效率。系统软件设计方案：结合之前的所写的各个硬件模块的驱动软件，编写整个飞控系统的底层硬件驱动。并使用上位机进行实验、调试。构建飞控板、遥控器和上位机之间的通信协议。并将协议、数据处理编写成相应的C/C+代码，使用上位机进行调试。姿态解算的软件程序。将之前的姿态解算、PID等控制算法编写的C/C+代码，下载进飞控板中的主控芯片。4、飞行器试验调试这一阶段的主要工作是调试PID，修复系统中的BUG。在飞行器的飞行期间可以检验飞行器硬件的实际可靠性。PID的调试：利用四轴飞行器的调试平台进行调试。飞行器的姿态可以通过遥控器实时传输给上位机，并且能在电脑上显示波形。通过分析波形，调整PID参数。四、目标、主要特色及工作进度本毕业设计将最终四旋翼飞行器的各种姿态控制，比如前后左右平飞，顺时针和逆时针旋转。主要特色是飞控调试板可以捕获商业遥控的接收的PPM信号，经过处理后在通过2.4G模块传输给四旋翼飞行器。并且飞控调试板还可以实时得将飞行器的姿态传输给上位机。飞控调试板上拥有TFT触摸彩屏，可以直接对飞行器的参数进行修改，校准加速度计和陀螺仪的零偏。五、参考文献1 王东平.基于嵌入式的四轴飞行器控制系统研究与设计D.华侨大学，20132 程学功.四轴飞行器的设计与研究D.杭州电子科技大学，20123 徐云清.四旋翼飞行器飞行控制研究D.厦门大学，20144 黄依新.四旋翼飞行器姿态控制方法研究D.西南交通大学，20145 陈子杰.基于PX4构建高可靠多旋翼控制器的实现方法J.软件产业与工程，20146 Masilamani Muruganandam.PID and LQ Regulation of a Multirotor Attitude: Mathematical Modelling, Simulations and