四旋翼道路交通巡检系统

1、基于小型四旋翼飞行器的机械系统（1）飞行器结构设计（2）飞行器机身支架板的设计（3）电机固定支架设计（4）摄像机支架设计（5）飞行器起落架设计（6）集成机体的测试2、基于四旋翼无人飞行器动力系统（1）电调（2）电机（3）电池（4）螺旋桨3、基于四旋翼无人飞行器控制系统（主控单元）（1）飞行器硬件结构主控单元单片机（2）飞行器软件结构飞行控制系统软件部分和电机调速系统软件部分（3）控制原理及数字PID控制原理（4）对单片机RAM测试部分,4、基于飞行器飞行控制系统机载部分（1）飞行控制基本原理（2）机载部分的框架及其控制算法（3）传感器模块、四电机控制模块和中央控制器模块（4）操作的时序关系及逻辑关系（5）传感器模块选型惯性测量单元模块磁航向计DGPS陀螺仪加速度计数字罗盘（6）四电机控制模块电机减速齿轮驱动芯片（7）中央控制模块,（8）软件系统设计数据采集模块中央控制模块电机控制模块（9）模糊PID控制算法PID简介模糊控制器的简介设计思路（10）利用Matlab中的仿真Simulink进行仿真测试,5、基于小型四旋翼飞行器的无线通信与数据传输系统（数据上行部分）（1）无线通信与数据传输系统功能设计2.4G无线传输协议（2）飞行器上的数据收发器DTD433工业级无线数传模组（3）流程设计无线数据收发系统的操作DTD433与终端设备的连接各子系统的关联及流程设计6、基于小型四旋翼飞行器的无限通信与数据传输系统（数据下行部分）（1）RFW102无线芯片模组（2）抗干扰设计与曼彻斯特编码（3）222CRC校验（4）RFAV无线收发模块引脚功能设计（5）2.4Ghz无线收发器架构设计框图（6）DTD433数传模组（7）调制解调器与PC机接口电路设计（8）图象无线传输软件设计,7、基于四旋翼飞行器的地面终端控制（1）软件架构MVC三层架构（2）地面检测和调试模块、遥控遥测控模块、地面站遥控设备接入和视频监控软件模块（3）视频数据传输部分（4）控制部分（5）地面终端PC界面8、基于交通流三参数图象处理系统（1）总体功能二值化、目标追踪从图象提取显示视频显示K、V、Q三参数数据（2）子系统模块背景图象建模车辆目标提取基于外形和帧间运动向量的车辆跟踪方法计算平均车速、车流密度、车流量,电机固定支架无刷电机,螺旋桨,电池,微处理器、GPS、惯性测量单位等,着陆架,玻纤维板CNC框架,航拍支架航拍摄像机,电调,需求分析,如今，不仅在大城市或者在中小城市，我们都能感受到一点，就是在交通面临着拥挤、阻塞、大气环境恶化以及能源危机等情况，因此ITS的产生是形势所趋。此次设计主要是为解决交通拥挤、行车调度等问题而开发出四旋翼飞行器来航拍路面交通情况。四旋翼飞行器，是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，分两组，两组的旋转方向不同。与传统的直升机不同，四旋翼直升机只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。我们小组通过观察与分析，并设计出一部可航拍的四旋翼飞行器来为我们得到交通流数据，从而简便我们的交通运输流分析和解决交通堵塞问题。,结构设计,流程设计,一共分为5点：机身支架板的设计、电机固定支架的设计、摄像机支架的设计、起落架的设计主要参数。1、机身支架板的设计机架作为整个四旋翼飞行器的骨架，在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。1、机架的重量轻，材料选择合适，成本低。2、结构合理，便于制造。3、结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。4、结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应力小。5、抗振性能好。6、耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。7、有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。在网上参考了众多四轴机架，初步选定DJIF330四轴红白色飞行器机架作为我们支架的模型，再根据工况要求、刚度要求、强度要求以及稳定性要求进行一定的改造。,该机架特点:1、出口玻纤维板CNC切割而成，精度高,高强度机架设计；2、支架采用铝方管强度高适合飞行结实，维修容易，飞行成本低；3、适合十字型和X型四轴飞行，长度480MM拥有优秀的稳定性能；4、能轻松完成空翻、刷锅等特技动作，简单操作；5、机架兼容性强，可直接安装减震脚架航拍云台；基本信息：-DJIF330四轴红白色飞行器机架-机架重量156g-电机中心距450mm-起飞重量800g1400g,2、电机固定支架设计:选用铝制无刷12mmFiberGlassTub,玻纤维CNC制造,6061铝制材料,适用于12mm碳纤维管,重量为9克,可以适用于大电机的固定,价格适中。,3、摄像机支架设计摄象机支架需要提供摄象机稳定的照相环境，而且能提供照相机360度的航拍空间，在保护它不受外界影响外，能够有一定角度旋转，速率平缓不需要太敏捷，该设支架设计材料需要强度高且重量轻，选用型号：PTZ-C02的航拍云台，重量仅80g，（含舵机），具备俯仰、滚转两轴控制功能，可搭载卡片式数码相机，相机架宽度100mm。,4、起落架设计起落架的作用是提供飞行器的竖直支撑并保持飞行器的平衡状态。即使在降落的时候，也能够保证飞行器整体的平衡并有缓冲的作用，使飞行器每次降落时不会因为惯性的影响而使零件以及装置散落。弧型结构能够更好的使起落架拥有更好的减震缓冲的功能。根据力矩力臂力，中间部分过于窄，力臂小了，受的力就大了，因此长度要取长一点，才能使受的力减小。（可以使用MK脚架套件，铝合金加塑胶起落架）,起落架设计图,5、主要参数翼展：450mm平均翼旋长：125mm机身全长：450mm展旋比：3.6,子系统的功能,四旋翼飞行器的动力子系统是飞行器硬件构成的主要部分，为飞行器飞行提供硬件方面的动力支持。该动力子系统主要包括螺旋桨，电机，电调，电池。,子系统功能模块说明,电调，全称是电子调速器，根据控制信号调节电动机的转速，驱动电机完成各种指令。电调的功效就是控制电机，完成规定速度、动作。电机，俗称“马达”是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，为飞行器提供动力源。电池，为动力系统提供能量来源。螺旋浆，四个动力组旋翼通过不同方向旋转而进行飞行、悬停、转向等动作的飞行结构。四个旋翼作为直接动力源，对称分布在主体四个方向，且旋翼处于同一水平面，旋翼半径、规格都相同。通过不同方位的旋翼转速不同达到不同的升力从而改变飞行器的状态和位置变化。,选型依据,电池：电池有镍氢电池和锂电池。锂电池的电流释放量C系数普遍比镍氢电池大，而且比较恒定，因此选择锂电池。电池的选择主要看两个性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飞行器的续航能力就越长。但容量越大的电池其重量就越重，因此容量选择既需要满足有一定的续航能力，且较轻。电池有最大放电能力，其最大持续电流计算公式是：容量*放电C数例如:1500MA,10C,则最大的持续电流就是=1.5X10=15安如果该电池长时间超过15安或以上电流工作，那么就会对电池有损害。电池的最大放电能力要以电机的最大功率时电流为标准。比如电机的最大功率运行时是30A，那么电池的最大的持续电流就要大于30A。放电C数的值越大越好。以最大功率运行时电流为30A的电机为例，如果是15C1500MA的电池供电，则最大的持续电流就是15C2.2*15=33A，刚好能满足电机要求。但如果是20C的电池,那么可以以:2.2*20=44A的电流放电机最大功率时,电流只有30A,这个电池可以44A来放电,无疑,电池会更加轻松。马达也是一直以最大功率来运行!这样获得的动力将是非常满意的。,电机：俗称“马达”。它的主要作用是产生驱动转矩，为飞行器提供动力源。首先电机选择无刷电机，因为无刷电机比有刷电机优越许多。电机可以参考的参数有许多，但在选择为飞行器装配的电机时主要看的参数是KV值，最大功率，最大拉力。电机KV值与转速有以下关系：电机的转速（空载）=KV值*电压；例如1000KV的电机在10V电压下它的转速（空载）就是10000转/min。并且电机的KV值越高，提供出来的扭力就越小。KV值越低，效率越高，在可承受的功率范围内，要达到同样的拉力，KV值低的电机，消耗的电流要远小于KV值高的电机。另外，KV值的选择就与浆有着密切的关系，因此KV值要与浆的选型配合好。一般来说，电机选择较小的KV值以获得较大的扭矩。功率的选择首先要确定负载的总重量，计算所需电机功率。在电动直升机里，安照1W功率带起4g重量计算的话，比如450飞机按照起飞重量（含电池）是800g计算，实际所需的功率是800/4=200w。,电调：电调的就是用于在内部调整电流，从而改变电机转速。电调的选型比较简单，一般能满足马达峰值功率的电调的可以了。比如一个马达峰值输出电流时30A，那么电调起码要30A以上。螺旋浆：螺旋浆的参数主要有直径。浆的选型要与电机搭配好。首先介绍浆型号数字所代表的意义：比如1060浆，10代表长的直径是10寸，60表示浆角（螺距)，即前两位数表示直径，后两位表示螺距。根据网上一些飞行器玩家提供的资料，一般电机与浆是这样配的：3S电池下KV900-1000的电机配1060或1047浆，9寸浆也可KV1200-1400配9050（9寸浆）至8*6浆KV1600-1800左右的7寸至6寸浆KV2200-2800左右的5寸浆KV3000-3500左右的4530浆2S电池下KV1300-1500左右用9050浆KV1800左右用7060浆KV2500-3000左右用5X3浆KV3200-4000左右用4530浆另外，浆相对越大在产生推力的效率就越高。但特别要注意的是，不能用大浆配高KV的电机，否则烧电机还影响了电池，有可能连电调也烧掉。,选型,经考虑选择：电机用朗宇2212-KV980的，电调用好赢30A的奔腾版，螺旋桨用GEMFAN四轴专用9寸正反慢速桨9047，电池Redzonelipo35C3300mAh11.1V四旋翼飞行器锂电池,设计目标,随着城市交通问题日益显现，城市交通综合信息平台、全球定位与车载导航系统、城市公共交通车辆以及出租车的车辆指挥与调度系统、城市综合应急系统都将迎来极大的发展机遇。四旋翼飞行器是一种具有特殊结构的飞行器，它具有垂直起降，悬停，高机动性飞行的特点。而它也因此具有了在军用及民用领域的广泛应用前景，如GIS信息采集，搜救，战场侦察等多种功能。而我们的设计目标是为了减轻城市的交通问题本次我的分工任务为设计出该四旋翼飞行器飞行控制系统，为动力系统及无线传输系统的运作搭载一个平台，其中我会选择更多型号进行相比从而得到更加适用的材料来满足我们飞控系统硬件的需要，我也根据实际情况去设计出满足飞行器各种姿态需求,需求分析,我们的设计的用途主要是航拍公路交通，野外搜救等等。也能应用于电子警察执法处罚系统、机动车超速检测系统、移动车辆稽查系统、车流量监测系统，而且基于四旋翼飞行器的移动监察系统具有维护简便，覆盖力强，灵活隐蔽等特点。总体而言，城市智能交通系统的发展趋势将表现为综合化、多部门驱动型的发展模式。由于城市智能交通体系将涉及相关的市民、公安交通管理、交通部门车辆管理、城市建设、通信等相关部门工作，因而未来城市智能交通的发展过程必然是一个涉及以交通与公安为主的多部门驱动的发展过程。因此，本设计的需求必将随着智能城市交通系统的成熟有日渐宽泛的需求。,功能设计,本设计要求四旋翼飞行器能够根据巡检要求在人工操作的干预之下自动进行飞行，能进行垂直上升前行后退旋转等各种复杂运动，并且具备以下三个特点：可靠性高易操作，易维护,结构设计,主控单元-单片机ATMEGA644这个单片机采用的是JTAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口接口复杂性小，减少了系统外部接口，线路的减少为控制系统的安全性。,主要参数,参数与规格I/O和封装32可编程I/O线40-pinPDIP,44-leadTQFP,和44-padQFN/MLF工作电压1.8为-5.5VATmega164/324/644V2.7为-5.5VATmega164/324/644速度等级ATmega164/324/644V:0-4MHz1.8-5.5V,0-10MHz2.7-5.5VATmega164/324/644:0-10MHz2.7-5.5V,0-20MHz4.5-5.5V电力消费在1MHz,3V,25C为ATmega644活动：240A1.8V,1MHz掉电模式：0.1A1.8V因此可以看出采用ATmega164能够更好的符合我们这个四旋翼飞行器的设计。,与其他单片机对比,优点,一非易失性程序和数据存储器系统内16/32/64K字节自编程闪存耐力：10,000写/擦除周期可选引导具有独立锁定Bits代码段在系统编程的片上引导程序真Read-While-Write操作512B/1K/2K字节的EEPROM耐力：100,000写/擦除周期1/2/4K字节的片内SRAM,二高级RISC建筑131条指令绝大多数为单时钟周期执行32x8通用工作寄存器全静态工作高达20吞吐量在MIPS20MHz片2-cycle乘数三JTAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口边界扫描功能根据JTAG标准广泛的片上调试支持编程闪存，EEPROM，熔丝位和锁定Bits通过JTAG接口,软件结构,四旋翼飞行器的软件部分主要包括两大部分：飞行控制系统软件部分和电机调速系统软件部分。在此，给出飞行器的总体软件流程图,开发环境,作为飞行器的飞控系统设计人员，我的飞控系统设计是基于CCS集成开发环境，采用PID算法小扰动法的线性PID控制小扰动法的基本思路是把飞机的一般运动分为基本运动和扰动运动两部分。在理想运动状态对飞机进行线性化，在扰动运动小偏离理想运动状态的情况下，将那些高阶小项作为小量略去，从而对系统的动力学模型进行降阶处理使之变成线性方程。,集成方案,单片机采用TAG(IEEEstd.1149.1兼容）接口，可以用电线连接动力系统（电机），给动力系统的指令处理提供了平台。,测试方案,对单片机的RAM采取测试基于种子和逐位倒转的测试方法主要是使用全O和全1两个背景数来移位展开的，与MARCHG算法相比获得的故障覆盖率稍微低些，但使用了较少的地址单元。这里我们把背景数称为“种子”。以地址线为8根的RAM为例，种子分别取00000000和11111111两个数，取00000000、11111111、0000llll和llll0000四个数，以及取00000000、11111111、00001111、11110000、00110011、1100llOO、01010101和10101010八个数来移位展开测试，所达到的故障覆盖率是不一样的。种子数为2的改进方法要低于MARCHG算法的故障覆盖率，种子数为4的改进方法与MARCHG算法相当，种子数为8的改进方法能够超过MARCHG算法的效果。整体上基于种子和逐位倒转的改进方法是可以代替MARCHG算法的，但是种子数目不同所需要的寻址次数也是不同的。设地址线为n根，种子数为2时需要访问RAM共计4”+4次，种子数为4时需要访问RAM共计8n+8次，种子数为8时需要访问RAM共计16n+16次，而MARCHG算法需要访问RAM共计62n次。可见，基于种子和逐位倒转的改进方法比MARCHG算法的测试时间开销大大降低。同时，故障覆盖率会随着种子数目的增加而提高，当然不同种子数时所需要的测试时间开销也不同。最后经测验RAM的数据导入与寄存不存在问题。,需求分析,此次设计以四旋翼飞行器为研究对象，最终设计目标是实现四旋翼飞行器自主飞行，并完成定点飞行与飞行避障等任务。飞行控制检测系统是该飞行器的核心，它决定着四旋翼飞行器的各种飞行性能的优劣。因此在设计这个系统时，必须全面综合分析结果和过程，考虑到四旋翼飞行器的体积不大，在器件选型时应该优先选取重量轻、体积小、功耗低的产品;另外，为了日后升级的便利性，模块化，接口标准化应该始终贯穿在整个系统的设计过程中。,飞行控制检测系统基本工作原理,飞行控制检测系统决定着四旋翼飞行器的各种飞行性能的优劣。由四旋翼飞行器的飞行原理可以归结出飞行控制系统由测量装置(各类传感器)、飞行控制器和驱动电机、被控对象等部分组成。,传感器用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息主控制器根据这些传感器反馈回来的状态信息、预先给定的状态和现场无线输入的控制指令信息进行处理，这些信息经过控制器处理后转变成能够被控制系统识别的有效信息飞行控制器根据这些传感器反馈回来的飞行状态信息、预先给定的状态和现场无线电输入的控制指令信息进行处理，来计算出控制电机的输出信息。,飞行控制检测系统总体结构及设计,整个飞行控制检测系统可以分为地面和机载两大部分，主要分为五个模块，分别为：传感器模块、四电机控制模块、中央控制器模块、无线传输模块和地面终端。,飞行控制系统机载部分结构图,传感器模块,小型四旋翼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、测量机身航向及姿态信息的罗盘等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂和数字罗盘受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪、加速度计和数字罗盘结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。,中央控制器模块,中央控制器模块是飞行控制检测系统的核心计算部件，也叫飞行控制计算机，它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和光电码盘测得的电机转速，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，结合无线模块传送的控制指令，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，并将遥测信息通过无线通讯模块传送到地面控制站。,各模块关系,飞行控制程序流程图,主控制器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器的数据，并根据数据解算出飞行器的姿态；惯性测量单元（传感器模块）用于检测机体坐标系下三个轴的角速度和加速度；电机控制模块在系统中的地位是非常重要的，其中电源模块为系统各个模块提供动力源，四电机控制模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给中央控制器，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值，从而实现四旋翼飞行器不同的飞行状态。,机构与选型设计及其开发环境,硬件系统总体设计：根据四旋翼飞行器体积小、载重少、自主飞行等特点，设计的飞行器控制检测系统硬件设计有了一些要求，如所选的电池要轻、数据的传输要迅速且准确等。而整个飞行控制系统包括三个模块，分别为传感器模块、电机控制模块和中央控制器模块。,传感器模块,传感器是用来测量飞机姿态及位置信息的，能够为飞行控制模块提供原始数据，自动飞行控制系统根据传感器测量出的信息生成使飞行器稳定飞行的控制指令，然后控制执行机构最终完成。因此这是十分重要的一个模块，应用于飞行器的传感器主要有以下几种，分别是：1.惯性测量单元模块2.磁航向计3.DGPS,1.惯性测量单元模块：内装有三轴的陀螺仪和三个方向的加速度计，加速度计用来感受飞机相对于地垂线的加速度分量，陀螺仪用来感受飞机的角度信息并以此解算出物体的姿态。2.磁航向计：磁航向计也叫磁罗盘，利用地磁场来测量航向，结构简单、质量轻、信号易处理、成本低，是一种常规的航向测量方法，较适合应用于无人机，但磁航向计信号时间较长。3.DGPS：DGPS是英文DifferenceGlobalPositioningSystem的缩写，即差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。该差值通常称为PRC（伪距离修正值），基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。,通过对三种传感器的比较，DGPS对设备要求太高，磁航向计信号处理时间太长，故决定选用惯性测量单元模块作为飞行器的传感器，这姿态测量方法综合了加速度计和陀螺仪的优点，成本低、探测精度高，而且传输速率在这三种方式里是最高的。但由于在惯性导航算法中，导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散，因而不能满足长时间自主飞行的需要，故选用罗盘对惯性导航系统进行姿态校准。,陀螺仪：ST公司的角速率陀螺仪L3G4200D，该陀螺测量最大精度达到2000/s，且有三种灵敏度可调。其工作电压为5V。提供精确的参考电压和温度输出的补偿技术，可以使其灵敏度达到70mV/s，并具有自检功能。加速度计：ADI公司生产的ADXL345，这款加速度计最大可以感知16g的加速度，感应精度可达3.9mg/LSB，倾角测量典型误差小于1，可以通过其内置的ADC将加速度信号转换为数字量存放的片内缓冲区，使用SPI总线读取数据。数字罗盘：霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMR3300，采用UART协议通信，经过转换电路之后可以和处理器的SCI口通信，并且自带模数转换，以便与微处理器直接通信。HMR330O包含了单轴/双轴磁阻传感器HMCI021/HMclo22，两者正交安装，并通过双轴加速度计补偿，提高了其倾斜测量范围，从而使有效测量范围到达土60(俯仰、横滚)。,中央控制器模块,中央控制模块即飞行控制检测系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量；通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。飞行处理器的类型主要有：单片机、ARM及DSP,通过对上述三种处理器的比较，并基于开发难易程度、成本、处理器性能等因素，决定选用32位ARM处理器，并且可以内嵌实时操作系统，和传统的控制方式相比，外设资源更丰富，性能更好。型号方面则采用ST公司生产的STM32F103RCT6作为系统的主处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARMCortexM3内核。它主要负责采集传感器检测到的姿态角速率、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，计算输出控制量；然后通过尢线通信模块与地面进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态。,软件系统设计,四旋翼飞行器控制检测系统软件设计的总体目标是启动飞行控制系统的各个功能模块并使之正常工作，按照既定规划实现稳定飞行。此次设计的飞行器软件系统是运用模糊PID控制算法对飞行器系统进行设计并且采用C语言编写。软件设计采用模块化设计思路，使程序方便调试，易于扩展，主要包括：数据采集模块、中央控制模块和电机控制模块。,中央控制模块：在中央处理器(ARM)中执行，完成系统初始化，系统自检、定时、解算传感器数据、导航信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量、协调与地面站之间的上下行数据传输等；数据采集模块：角速率陀螺、加速度计经过模数转换提取直升机角速度和线加速度信息；数字罗盘通过UART串口通信提取航向信息；电机控制模块：通过解算飞行姿态信息和路径规划输出PwM控制量协调控制四个电机，实现稳定飞行。,模糊PID控制算法,PID是比例、积分、微分的缩写，将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。,PID算法控制原理,模糊控制器的简介,模糊控制是一种非线性智能控制，它非常适合于工业生产过程和大系统控制过程，特别是在纯滞后、大惯性、参数漂移大的非线性、不确定分布参数系统中，经典控制和现代控制理论是难以凑效的；但是采用模糊控制可取得令人满意的成果。,模糊控制器的控制规律由计算机的程序来实现。实现一步模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E，一般选误差信号E作为模糊控制器的一个输入量(如果是两输入系统，一般以E和E的微分作为两个输入量)。把误差信号E的精确量进行模糊化，变成模糊量。误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差E的模糊语言集合的一个子集e(e是一个模糊矢量)，再由e和模糊控制规则e(模糊算子)根据推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。,模糊控制的基本原理框图,模糊PID自整定控制器结构图,该系统是在常规PID控制器的基础上，将输入量e和ec(输入量e的微分)经模糊化处理，利用知识库中的控制规则，经过模糊推理和清晰化接口输出，对PID参数Kp，Ki，Kd三个参数进行在线整定。再由PID控制器给出控制信号，对被控对象实行有效的控制，使之达到给定的要求。,设计思路,运用PID控制算法对飞行器控制系统进行设计的主要思路就是先建立研究对象的方程，找出状态向量、输入等，然后代入PID控制器的控制规律中，得出控制规律中各参数的的值，从而计算出PID的控制参数，就可以用于直接控制系统。,各模块软件设计,中央控制模块：飞行控制检测系统的中央控制模块主要完成系统初始化、系统自检、解算传感器数据、导航信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量等功能。中央控制模块选择CodeWarrior集成开发环境，CodeWarrior包括构建平台和应用所必需的所有主要工具。它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是相同的，无需担心主机至主机的不兼容。中央控制模块系统的软件开发是基于CodeWarrior集成开发环境的，并采用C语言编写。,CodeWarrior软件开发流程,数据采集模块：STM32内嵌2个12位的模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC有多达16个外部通道。传感器模块中，罗盘的输出为数字信号，陀螺仪和加速度传感器的输出信号为模拟电压信号，需要进行A/D转换变为数字量，才能进行下一步处理。而陀螺仪和加速度计信号的采集，可以通过ARM自带的12位A/D转换器转换实现的。陀螺测量的角速率信号经过引脚进入ARM，加速度计测量的线加速度信号经过引脚进入ARM，数字罗盘则通过UART串口通信提取航向信息（需要通过串口调试来进行初始化设置，包括输出模式设置，波特率设置等）。ADC模块工作在同步采样模式下，可以同时采样角速率和线加速度，采样结果存放在ADC的结果寄存器中。,流程设计,机械系统部分包括机架、结构，是四旋翼飞行器的框架，有了这个框架以后，一切的模块才能组合在一起；动力控制系统部分则是为整个飞行器的提供动力源，提供飞行器能够正常工作的动力；控制单元部分和飞行器控制检测系统部分则是为飞行器采集信息（位姿、速度、图像）及处理信息，并通过无线数据传输部分与地面控制之间交换机载部分与地面部分的信息（通过SPI接口），而机载部分之间的信息交换是通过将信息转换为相应的pwm信号来进行，经过转换电路之后可以STM32的SCI口通信。地面终端能够处理从机载部分传输过来的数据及信息，并发出控制指令，通过无线传输部分传送到机载部分的控制器，再由控制器调控机载部分其他模块的工作。,测试方案,利用Matlab中的仿真Simulink工具箱，对设计的飞行器控制检测系统进行仿真测试。进行了Matlab仿真测试前，还必须进行一些准备工作。首先要检查零件是否损坏，线路是否有短路、断路、走线丢失、乱窜等问题。确保无误后，即可进行仿真测试。流程如下：1.进行Simulink的平衡点求取2.以此平衡点为基础，建立一个线性模型。3.给定飞行器俯仰通道模型的六个状态变量的初始值，进行飞行仿真，建立标准飞行轨迹4.利用Matlab进行模型线性化5.利用SISO进行滚动通道姿态系统设计6.利用NCD进行控制参数优化设计。利用Matlab进行飞行器控制检测系统的仿真测试，可以使飞行器控制检测系统的设计在完整设计出来前就能够满足要求。,四旋翼飞行器是一种具有六个自由度和四个输入的欠驱动系统的直升机，具有不稳定、非线性、多变量、强耦合特性。其飞行是通过控制四个旋翼转速来实现的，主控制器根据惯性传感器测量的信息解算出飞行器的姿态，然后按照一定的控制算法得到电机转速，通过总线发送给电机调速器（简称电调），调节电机的转速，以控制飞行器的姿态。姿态控制是整个飞行控制的重要组成部分，控制系统功能应包括：传感器对姿态、位置信息的检测，传感器数据的传输和主控制器对数据的处理等。根据四旋翼飞行器的特点和实际的飞行需求，飞行控制系统的主要模块包括主控制器、传感器模块、电机控制模块以及电源模块等，如下图所示。主控制器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器的数据，并根据数据解算出飞行器的姿态。惯性测量单元用于检测机体坐标系下三个轴的角速度和加速度，超声波测距传感器用于测量飞行器距离地面的高度。电源模块在系统中的地位是非常重的，为系统各个模块提供动力源。,系统硬件设计1.主控制器选型：TMS320F103RCT6精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速具有1.50MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADCSTM32F103VB具有精度较高，成本低，功耗小，性能好的特点基于ARMv7-M体系结构的32位标准处理器,具有1.25MHz的处理能力，拥有USB、USART、SPI、I2C等共9个外设接口，但是位数和通道数不多,最后我们选择的是TMS320F103RCT6,2.惯性传感器的选型四轴飞行器具有6个自由度,需要测量3个轴向的旋转角速度和加速度。目前市场上可获得的惯性传感器主要有日本村田公司的ENC03、ADI公司的ADXL系列等,可通过组合分立器件进行3个轴向的测量。系统采用ADI公司的三轴惯性测量传感器ADIS16355,它是一个完整的三轴陀螺和三轴加速度计组成的惯性感应系统,其内核采用iMEMS传感器技术,内置嵌入式处理器用于校准和调谐,通过SPI数字接口输出数据。ADIS16355具有以下特点:(1)14位分辨率;(2)350Hz的带宽;(3)灵敏度校准和三轴正交校准,并在-4085温度范围内,对温漂进行补偿。,3.高度传感器的选型高度传感器用于测量无人机离地面的高度,一般有红外测距和超声波测距两种方式。,由上表可知,红外测距传感器的最大测量距离较小,四轴飞行器达到一定高度后红外测距传感器将会失效。超声波传感器的量程较大,但因其需要发送和接收超声波,最小测量距离受到限制。SRF02超声波传感器通过单个探头进行收发,尺寸较小,但其最小测量距离为15cm,不适合直升机在近地面飞行、起飞和降落过程中使用。而URM37则较好的综合了上述两款传感器的优点，所以我们采用了URM37超声波测距传感器,它具有两个探头,分别用于发送和接受超声波,最小测量距离和测量时间相SRF02都得到很大改善。,最后我们选择的是URM37超声波测距传感器,位姿软件系统设计,导航位姿,控制算法PID控制是迄今为止最通用的控制方法，简单的说就是按偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)进行的控制。大多数反馈回路用该方法或其变形来控制。PID控制器的控制算法为：,式中u(t)是PID控制器的输出，e(t)是PID控制器的输入，c是比例系数，Ti是积分时间常数，TD是微分时间常数。PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法的总和构成操纵变量。,比例、积分和微分三项的控制是相互关联的，三个控制项可以分别调节，也可以只采用其中一种或两种控制项。简单的说，PID控制器各项的作用如下：1比例(P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式，用来控制当前。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。控制系统的偏差信号e(t)和一负常数P(表示比例)相乘，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。比例控制反应快，但对某些系统，可能存在稳态误差。加大比例系数Kp，系统的稳态误差会减小，但稳定性可能变差。2积分(I)控制：用来控制过去，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。积分的控制作用主要用于消除稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强。积分环可能使系统的频带变窄。积分控制通常与其它控制规律结合，组成PI控制器或PID控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。,3微分(D)控制：用来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用。但微分作用很容易放大高频噪声,降低系统的信噪比,从而使系统抑制干扰的能力下降。因此，在实际应用中，应慎用微分控制。微分控制通常与其它控制规律结合，组成PD或PID控制器。PID参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。,在PID控制器中，比例参数的大小决定了系统的响应速度，恰当与否决定了系统是否稳定；积分参数的作用是消除四旋翼飞行器系统的稳态误差，是否使用积分参数视是否有稳态误差而定；微分参数既可以使整个系统的相位提前，又可以消除飞行器抖动，从而保证整个系统的稳定。根据每个四旋翼飞行器系统的情况，选择合适的控制参数才能得到理想的飞行结果。,一：设计目标,我们小组根据以小型四旋翼飞行器来进行道路交通巡检系统为目标，以道路交通流理论基本方法及多旋翼飞行器、机器视觉和无线通信等的基本知识、主要技术的认识和理解为基础来进行四旋翼飞行器的设计，其中我主要负责无线通讯与数据传输系统（数据上行部分）。接下来我会详细介绍我负责的内容部分。,二：需求分析,2.无线通信与数据传输系统的需求分析：无线通信系统的组成：发送设备+接收设备+传输媒体。（1）发送设备：换能器+发射机+天线（2）接收设备：接收机+接收天线+换能器（3）传输媒介：电磁波,二：需求分析,其中每个设备还要包括的内容有高频振荡器、放大器、混频或变频以及调制与解调。无线电信号主要有三种:基带（消息）信号、高频载波信号和已调信号。在四旋翼飞行器的专题里我们主要处理的信号是基带信号，也称消息信号或调制信号，属于表示信息的电信号。例如：话音、图象信号（模拟信号）；数据、电报信号（数字信号）等。,二：需求分析,无线通信系统框图,三：功能设计,1.无线通信与数据传输系统的功能设计：无线数据传输子系统的功能是通过2.4G无线传输协议将四旋翼上搭载的摄像头所拍摄下来的交通影像送达到地面控制系统，然后计算出某一时段的交通量。这样可以及时、准确、完整地收集并预告前方道路的各类信息；对违法犯罪、治安事件实现远程监控；对交通事故、交通拥堵实现远程监控；对突发事件实现远程应急指挥。,三：功能设计,（a）2.4G无线传输协议：2.4GHz无线技术，是一种短距离无线传输技术，供开源使用。2.4GHz所指的是一个工作频段，其频段处于2.405GHz-2.485GHz（科学、医药、农业）之间。2.4GHzISM（IndustryScienceMedicine）是全世界公开通用使用的无线频段，这个频段里是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力，目前广泛应用于家用及商用领域。它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性，各种无线产品均可使用此频段，目前广泛用于无线键鼠及无线宽带路由器等室内场合。,三：功能设计,（1）2.4G无线传输协议优点：它整体的频宽胜于其他ISM频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存，允许双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围）。2.4G无线技术还拥有理论上2M的数据传输速率，这就比蓝牙的1M理论传输速率提高了一倍。2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小，从而使芯片更集中，减少耗电。因为2.4GHz无线技术的优势，各厂家不断推出新技术，也使此技术发展迅速。,三：功能设计,（2）2.4G无线传输协议缺点：为了实现工业、家庭和楼宇的自动化控制，将人类从有线的环境中解放出来，以取代线缆为目标，用于无线个人区域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）范围的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展，典型技术标准有蓝牙、ZigBee、无线USB、无线局域网Wi-Fi等。在人们享受方便快捷的时候，这些技术的电磁兼容问题日益凸现。由于这些技术均选择了2.4GHz（2.42.483GHz）ISM频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤。,四：结构与选型,飞行器上的数据收发器：DTD433工业级无线数传模组。型号为DTD433B-L1（直接与电脑连接，参考距离1000m左右）；DTD433C-S4（RS232/485或TTL接口，参考距离2000m左右）。,四：结构与选型,DTD433实体示意图,四：结构与选型,DTD433简介:采用无线电数字通信技术代替有线RS485网络的可直接使用的模块化产品。产品体积小巧，只要接入标准串口，24V直流电源即可工作。是能提供高性能、中等距离和可靠数据传输的低成本解决方案。DTD433系列无线数传模组有RS485标准接口，透明传输，、可以实现点对点通信，也可以实现点对多点通信，不需要编写程序，不需要布线。,四：结构与选型,供电电源:L型铝合金外壳：直流电压9V12V，电流大于1A，电源用户提供；S型PVC塑料外壳：直流电压9V24V，电流大于1A，电源由用户提供.外壳尺寸：L型铝合金外壳:539727m（LWH）S型PVC塑料外壳：1157460（LWH），35mmE型导轨卡槽安装,四：结构与选型,（c）配备：SMA型接头天线：80mm螺旋SMA天线（可传送较远距离）（d）工作环境：工作湿度10%90%（无冷凝），工作温度-20-70（e）供应商：西安达泰电子有限责任公司,五：流程设计,（接上）：SMA型接头的棒状螺旋天线,五：流程设计,接口方式，可直接与计算机串口、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件连接使用。智能数据控制，用户无需编制多余的程序：即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，DTD433自动完成。,五：流程设计,(c)各子系统的关联与流程设计:无线系统流程需要注意：射频频道的频率决定射频收发器所使用频道的中心频率。在速率为250kbps或1Mbps时，频道占有的带宽小于1M；在2Mbps时，所占带宽小于2M。射频收发器工作的频率范围2.4002.525GHz。为确保相互通信，发射器和接收器须在同一个频率。,子系统的联系示意图,1.设计目的：,利用2.4G无线的数据传输方法在四旋翼飞行器上建立一个无线传输子系统。从而达到无线传输代替有线传输，将飞行器的数据从地面传输到飞行器上。最终的目的是为了控制飞行器的飞行。,2.需求分析：,选择无线网络取代电缆和电线主要基于两个原因：灵活性和节约成本。,3.功能设计：,作为飞行器中的一个传输系统,无线传输系统就是为了起到数据传输的功能,在地面与空中进行数据传输,从而去控制飞行器的飞行.,4.结构与设计：,4.1DTD433数传模组：DTD433工业级无线数传模组是针对工业级用户，采用无线电数字通信技术代替有线RS485网络的可直接使用的模块化产品。产品体积小巧，具有精美铝合金或可导轨安装的PVC塑料外壳，只要接入标准串口，24V直流电源即可工作。,4.11DTD433系列无线数传模组命名规则：型号：DTD433_,DTD433A_L1表示距离300米左右，铝合金外壳，USB口，可以与电脑U口直接连接。DTD433B_L3表示距离1000米左右，铝合金外壳，RS232串口，可以与电脑串口直接连接。DTD433A_S2表示距离300米左右，塑料外壳，TTL电平串口，可以与单片机串口直接连接。DTD433C_S4表示距离2000米左右，塑料外壳，RS485接口，可以与RS485设备直接连接。,4.12DTD433无线数传模组的技术指标,工作频段：中心频率433MHz，ISM频段无需申请频点调制方式：GFSK调制，高效前向纠错信道编码技术输出功率：DTD433A10dBm(10mW)；DTD433B27dBm(500mW)；DTD433C30dBm(1000mW)通信接口：RS232/485或TTL接口；波特率：9600bps，根据客户需求可提供其它参数；数据格式：8N1传输距离：DTD433A大于200米（空旷），可能超过500米；DTD433B大于1000米（空旷），可能超过2000米；DTD433B大于2000米（空旷），可能超过3000米供电电源:L型铝合金外壳：直流电压9V12V，电流大于1A，电源由用户提供；S型PVC塑料外壳：直流电压9V24V，电流大于1A，电源由用户提供工作温度：-3570，工业标准设计，能工作于各种恶劣环境外壳尺寸：L型铝合金外壳：539727mm（LWH）S型PVC塑料外壳：1157460（LWH），35mmE型导轨卡槽安装,5流程设计：DTD433数传模组的使用方法DTD433X_S塑壳数传模组与终端设备的连接,5.11外接电源DTD433X_S模组使用直流外接电源，电压输入范围为924V，电流大于1A，电源由用户提供。可以与其它设备共用电源，但请选择纹波系数较好的电源。,例如24V电源+连接JP1_12(VCC)，电源-连接JP1_11(GND),5.12外接指示灯LED1、LED2、LED3可作为状态指示输出，指示灯可选用发光二极管，发光二极管的正极接LED1或LED2，负极连接信号地。,5.13与RS-232接口的设备连接DTD433_S模块与RS232接口设备连接时，最典型的应用就是连接电脑的串口（通