四旋翼飞行器控制系统ppt课件.ppt

四旋翼飞行器控制系统 所属系统 项目负责 指导教师 1 项目简要 该项目是利用单片机通过调节电机转速来控制飞行器飞行展开的 通过调节电机来实现四旋翼飞行器飞行姿态的控制 使其实现垂直运动 俯仰运动 滚转运动 偏航运动 前后运动 侧向运动等6种基本运动状态 利用陀螺仪进行物体姿态检测 利用智能传感器技术和GPS全球卫星定位系统使飞行器在无人操控的情况下实现智能化自主导航 自动返航 地理围栏等功能 2 项目意义 通过该项目可以提高小组成员的团队协作能力 有利于培养的实践创新意识与基本能力 有助于工程实践素质的培养 提高小组成员针对实际问题进行电子设计制作的能力 这一项目对于本专业的学习具有不可忽视的推动作用 3 设计背景 四轴飞行器要完成各种任务就需要依赖人工无线电遥控导航 人工遥控导航飞行只能在视野范围内进行 如果四轴飞行器要执行视野范围外的任务 就必须自主导航 目前国内四旋翼飞行器多为人工遥控航模四旋翼飞行器 依赖于人工遥控 缺乏自主能动性 且受模型准确性和传感器合理性等影响 飞行姿态难以实现精准控制 基于这些缺点 我们提出四旋翼飞行器控制系统这一项目 4 国内四旋翼飞行器发展现状 2009年 一台叫做 旋翼飞行机器人 的空中多功能自主飞行机器人在中国中科院沈阳自动化研究所研制成功 并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果 近年来 国内四旋翼飞行器发展迅速 由人工遥控导航向自主导航发展 它们被用于许多不同领域 航空摄影 空中考古 空中监视 植被调查 消防救灾 边境控制 警察 特种部队和军队等等 5 项目计划目标 计划目标是在实际测试中 四旋翼飞行器能完成从自主起飞 然后根据预设的航迹点进行自主巡航飞行 悬停在空中或超低空来获取需要的数据或完成一些简单的任务 最后进行自主降落等一系列科目 同时可以切换人工 自动模式 实现双模式共同操作四旋翼飞行器 6 四旋翼飞行器原理 四轴的控制原理就是 当没有外力并且重量分布平均时 四个螺旋桨以一样的转速转动 在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时 四轴就会向上升 在拉力与重量相等时 四轴就可以在空中悬停 在四轴的前方受到向下的外力时 前方马达加快转速 以抵消外力的影响从而保持水平 同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过这种动作保持水平的 当需要控制四轴向前飞时 前方的马达减速 而后方的马达加速 这样 四轴就会向前倾斜 也相应的向前飞行 同样 需要向后 向左 向右飞行也是通过这样的控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了 7 四旋翼飞行器的6种基本运动状态 8 9 总体结构 电池 电调4 电调3 电调2 电调1 电机1 电机2 电机3 电机4 传感器 无线传输模块 飞行控制板 10 控制系统电源 四旋翼飞行器采用3 7伏锂电池供电 用1sUSB充电器给锂电池进行充电 11 飞行控制板 四旋翼飞行控制板计划采用STM32作为主控制器 STM32是一款基于ARM的32位MCU的闪存 USB CAN 7个16位定时器 两个ADC和9个通信接口的芯片 STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求 与传统飞行控制器相比 大大的降低了开发成本 节约了资源 是一款非常适合本项目开发使用的单片机 12 无线通信模块 无限通信模块采用2 4G无线收发模块nRF24L01来实现四旋翼飞行器与遥控器之间信息的交互 实现遥控器对四旋翼飞行器的操控 遥控器用一块1S锂电池经升压板输出9伏电压作为电源 13 传感器 为实现四旋翼飞行器的人工智能 除采用传统的6轴传感器MPU6050 我们将尝试用超声波传感器 红外传感器 增加摄像头 用DSP芯片进行数据处理实现自动壁障 加入电压传感器 实现对电源的实时监控 加入了GPS全球卫星定位系统使其拥有了自动导航等功能 在本系统的基础上 我们还将添加电子罗盘 将偏航角引入到导航计算中 从而使飞行器的飞行路线更加精确与稳定 14 程序流程图 开始 系统初始化 3ms中断 数据采集次数 160 xn 接受解码遥控信号 设置相应飞行参数 采集传感器数据 控制量输出 进行长周期数据融合 进行短周期数据融合 Y N Y N 15 创新点 1 采用STM32作为主控制器 增强了处理速度 STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求 与传统飞行控制器相比 大大的降低了开发成本 节约了资源 2 采用2 4G无线收发模块nRF24L01 保证了信息的传输 3 采用了C语言编写单机程序 条理清晰 4 使用了PID控制器进行飞行器的姿态控制 无需对飞行器进行精准的数学建模 且PID控制器结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便 16 创新点 5 使用了智能传感器技术 与传统飞行器相比更具智能化 6 使用了GPS全球卫星定位系统 使飞行器具备了自主导航 自动返航 地理围栏等传统人工遥控导航飞行器所不具备的功能 17 应用前景 本项目研究成果将为四旋翼飞行器更加出色的完成各种任务提供无限可能 也可用于航拍 室内狭小空间的侦查任务 实时监控 儿童玩具等方面 拥有广阔的市场前景 18 实施思路 首先 小组成员对项目