电子设计大赛四旋翼设计报告最终版

1 四旋翼飞行器 A 题 参赛队号 20140057 号 2 四旋翼飞行器 设计摘要 四旋翼作为一种具有结构特殊的旋转翼无人飞行器 与固定翼无人机相比 它具有体积小 垂直起降 具有很强的机动性 负载能力强 能快速 灵活的 在各个方向进行机动 结构简单 易于控制 且能执行各种特殊 危险任务等 特点 因此在军用和民用领域具有广泛的应用前景如低空侦察 灾害现场监视与 救援等 多旋翼无人机飞行原理上比较简单 但涉及的科技领域比较广 从机 体的优化设计 传感器算法 软件及控制系统的设计都需要高科技的支持 四旋翼无人机的飞行控制技术是无人机研究的重点之一 它使用直接力矩 实现六自由度 位置与姿态 控制 具有多变量 非线性 强耦合和干扰敏感 的特性 此外 由于飞行过程中 微型飞行器同时受到多种物理效应的作用 还很容易受到气流等外部环境的干扰 模型准确性和传感器精度也将对控制器 性能产生影响 这些都使得飞行控制系统的设计变得非常困难 因此 研究既能精确控制飞行姿态 又具有较强抗干扰和环境自适应能力 的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急 3 一 引言 1 1 题目理解 四旋翼飞行器 顾名思义 其四只旋转的翅膀为飞行的动 力来源 四只旋转翼是无刷电机 因此对于无刷电机的控制调速系统对飞行器 的飞行性能起着决定性的作用 在本次大赛中 需要利用四旋翼飞行器平台 实现四旋翼的起飞 悬停 姿态控制 以及四旋翼和地面之间的测距等功能 1 2 设计思路 为了满足飞行器的设计要求 要使用以微控制器为核心的 控制系统 使本系统以 MC9S12XS128 模拟出控制信号 用 STM32 MMC10 接收模 拟信号 然后翻译出模拟信号 利用加速度与陀螺仪传感器采集飞行器的飞行 数据 加以闭环调控和精准的控制算法 进行上升 下降以及悬停等动作 1 3 特点 本飞行器脱离遥控器控制 用微处理器实现整个飞行过程全 自动控制 控制精度高 二 方案设计 系统主要由 STM32 模块 微处理器 MC9S12XS128 模块 电源模块 电机模 块 超声波模块 加速度陀螺仪模块等构成 系统总体框图如下图 图 2 0 STM32 MMC10 四路 PWM 通道 电调 无刷电机 高度显示 数码管 信号接收 MC9S12XS128 GPIO 模块 时钟 模块 超声波传 感器 电源 图2 0 其中微处理器 MC9S12XS128 模块的外围电路见附录一 2 1 控制系统选择方案 4 2 1 1 方案一 选择 Coldfire 系列芯片作为系统控制的主控板 因为在 以往队员们做过飞思卡尔智能车竞赛 对此系列的芯片做的比较熟悉 芯片功 能强大 但以往做的核心板较大 所需的电路较多 考虑到四轴飞行器的轻便 故而不太是一个很理想的选择 2 1 2 方案二 主控板使用 STM32 STM32 板子的 I O 口很多 自带定时 器和多路 PWM 可以实现的功能较多 符合实验要求 Stm32 迷你板在体积和重 量上也不是很大 对飞机的载重量要求不是很高 综上所述 我们一致决定使用 STM32 MMC10 作为此次大学生电子竞赛的主 控板 2 2 飞行姿态的方案论证 2 2 1 方案一 十字飞行方式 四轴的四个电机以十字的方式排列 x 轴 和 y 轴成直角 调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整 角度融合简单 适合初 学者 能明确头尾 飞行时机体动作精准 飞控起来也容易 2 2 2 方案二 X 行飞行方式 四轴的四个电机以 X 字的方式排列 灵活 性和可调性较高 调整的时候应该相邻两个融合调节 融合复杂 X 型飞行方 式非常自由灵活 旋转方式多样 可以花样飞行 也可以做出很多高难度动作 但是控制上相对比较困难 综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试 所以选择了方案一 2 3 角度测量模块方案论证 2 3 1 方案一 光纤陀螺仪 光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏 感元件 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播 光传播路径 的变化 决定了敏感元件的角位移 光纤陀螺仪寿命长 动态范围大 瞬时启 动 结构简单 尺寸小 重量轻 但是成本较高 鉴于我们这是初次尝试 需 要多次实验 破坏较大 2 3 2 方案二 MPU6050 三轴陀螺仪 MPU6050 三轴陀螺仪就是可以在同 一时间内测量三个不同方向的加速度 角速度 角度 单轴的话 就只可以测 定一个方向的量 那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺 它现在已经成 为激光陀螺的发展趋向 具有可靠性很好 结构简单不复杂 重量很轻和体积 很小等等特点 但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度 这 样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率 综合以上两种方案 我们选择了方案二 2 4 飞行器距地距离显示的方案论证 2 4 1 方案一 选用 LCD 液晶显示 LCD 液晶显示在显示效果上较丰富 可以显示字母 数字等等需求 但在我们实际编写的时候发现驱动代码稍显复 5 杂 显示效果在实际光线较亮的时候外界不容易清晰的看到 LCD 显示的内容 尤其是当四轴飞行器在实际飞行的过程中 显示效果并不理想 2 4 2 方案二 选用 LED 数码管显示 实际的观察中 发现数码管的显示 比较单一 但显示内容清晰可辨认 实际使用中对系统的占用资源也比较少 考虑比赛要求只要求看到实际的显示效果 因而我们决定使用数码管来显 示四轴飞行器距离地面的距离 2 5 确定方案之后 针对题目要求 最终编写出合适算法 进行控制 程序流 程图如下 图 2 1 开始 陀螺仪加速度校准 上升起飞 控制器姿态处理程 序 高度 50cm N 计时 下降处理 姿态控制 高度 50cm 上升处理 姿态控制 高度5秒 Y N Y Y N 上升处理 N 计时 Y N 下降处理 上升处理 姿态控制 T 5秒 高度 8 PWMDTY1 1185 PWMDTY3 19 PWMDTY2 19 void main void int i 0 int P 12 I 0 D 150 PLL Init PWM Init DDRT DDRT3 0 DDRT DDRT5 1 12 DDRA 0 xFF DDRT DDRT2 1 DDRT DDRT4 1 DDRT DDRT6 1 PIT Init EnableInterrupts delayms 4000 startfly delayms 2000 GetDIPSwitch if DIPSwitch DIPS8 0 bmkg 100 while s 11 want 350 if s 12 want 350 if s 14 want 150 delayms 40 test csb now high want test PI I now high PWM3 ls P now high PI D now high last high PWM3 1160 PWM3 ls 100 llst high last high last high now high if PWM3 1230 PWM3 1230 else if PWM3 8 PWMDTY5 PWM3 test test 10 if csb count 3000 csb count 0 if test 10 show a 10 show b 10 show c test else if test 8 PWMDTY5 800 for FEED COP 中断服务函数 pragma CODE SEG NEAR SEG NON BANKED void interrupt 66 PIT0 ISR void PITTF PTF0 1 清中断标志位 if count100 us 0 ms if ms 1000 ms 0 s show xt s 10 if s 15 PWMDTY4 800 8 PWMDTY5 800 if us 0 if xsq count 1 PORTA PA0 0 show123 show xt PTT PTT2 1 else if xsq count