四旋翼飞行器答辩演讲

河北大学,答辩人：巨星导师：郝真鸣,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第一章绪论第二章四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理第三章捷联惯性导航基本原理第四章四旋翼飞行器的姿态检测第五章四旋翼飞行器动力学模型第六章微型四旋翼飞行器实验平台的硬件设计第七章微型四旋翼飞行器实验平台的软件设计第八章测试结果和性能分析第九章总结与展望,论文组织结构,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,固定翼型微飞行器,扑翼型微飞行器,旋翼型微飞行器,研究背景,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第一章绪论,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,早期的四旋翼飞行器,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,随着MEMS技术的发展，四旋翼飞行器得以小型化、微型化,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,输电线路巡查,空中航拍,顺丰无人快递,环境监测,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,用于建筑物内勘测,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,多智能体集群协作，空中壁障,第一章绪论,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第一章绪论,德国crazy开源微型四旋翼,国内某大学微型四旋翼飞行器,第二章四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,垂直运动,俯仰、翻滚运动,偏航运动,设计所需的理论基础,一、惯性导航基本原理二、姿态检测与信息处理三、控制系统设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,捷联式惯性导航系统是把惯性元件,即陀螺仪和加速度计固定在运机体上,分别测量运机体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运机体坐标系的分量,经过计算,得到运机体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。,第三章捷联式惯性导航基本原理,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,导航系统坐标系,第三章捷联式惯性导航基本原理,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,飞行姿态的表示方法,1、欧拉角法,第三章捷联式惯性导航基本原理,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,飞行姿态的表示方法,2、四元数法,刚体绕固定点的任一位移，可由绕通过此点的某一轴转过一个角度而得到。,第三章捷联式惯性导航基本原理,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第四章微型四旋翼飞行器的姿态检测,常见的姿态测量器件有角速度计、加速度计、磁力计、气压计，超声波传感器和GPS等等。基于MEMS技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，是适于构建姿态检测系统的惯性传感器。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第四章微型四旋翼飞行器的姿态检测,姿态传感器,MEMS陀螺仪原理,1、角速度传感器,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第四章微型四旋翼飞行器的姿态检测,姿态传感器,2、加速度传感器,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第5章系统建模及控制器设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第5章系统建模及控制器设计,系统数学模型,系统有四个输入量和六个输出量，它们之间是非线性关系。由于是欠驱动系统，被控量之间存在耦合关系。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第5章系统建模及控制器设计,控制策略,国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明：尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，以及受到嵌入式平台的处理能力的限制，其实际控制效果反而不如PID控制策略。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,目标是设计出一个可自主飞行的微型四旋翼飞行器，在对其施以外界干扰时能自动调节迅速恢复到平稳状态，并可配合地面控制平台完成完成垂直起降、悬停等动作以及对其飞行状态信息的采集和分析。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,总体结构设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,设计要求,微小型飞行器由于体积小、载荷低等特点，与普通工业产品相比，对控制系统的硬件设计要求较高，有以下几个方面要求：(1)要满足控制系统的性能要求；(2)要集成度要高，尺寸小，能够安装在狭小的平台空间上；(3)要可靠性高，持续稳定工作时间长；(4)要功耗低，重量轻，保证飞行器具有较大的巡航时间；(5)飞行器控制系统要求要有良好的扩展性,方便日后系统的升级和新功能的扩展。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,动力器件选择,空心杯有刷直流电机的转子无铁芯，有着较低惯量，动态响应性好，效率高，易获取大扭矩，再加上其在质量和体积上有较大优势，所以设计采用空心杯电机作为微型四旋翼系统的动力器件。,614空心杯电机+46mm正反螺旋桨,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,主控制器,STM32C8T6性能：,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,主控制器,STM32C8T6最小系统：,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,姿态传感器模块,设计采用InvenSense公司生产的整合性6轴运动处理组件；MPU-6050整合了3轴角速度和3轴加速度传感器，免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。其具备较低功耗：陀螺仪工作电流5mA，待机电流仅5uA；加速计工作电流500uA，在10Hz低功耗模式下仅40uA。陀螺仪和加速计都具备16位ADC同步，接口采用可高达400kHz的快速模式IIC。具备较小的4mm*4mm的QFN封装，减少占据面积；,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,姿态传感器模块,MPU-6050外围电路：,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,电机驱动模块,电机驱动模块电路：,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,电源模块,电源模块设计：,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,无线通信子系统设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,无线模块外围电路设计,nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz2.5GHzISM频段。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式使节能设计更方便。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,USB接口电路设计,USBUART转接芯片CH340T,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,单片机外围电路设计,UARTSPI数据转发处理器STC11F02E,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,PCB设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第6章机载控制系统硬件设计,实物,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,四旋翼飞行器实验平台的软件系统包括上位机和下位机两个部分。上位机是针对飞行器的需要，基于delphi开发的一个PC机桌面应用程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、设置参数等功能。下位机为飞行器主控制器STM32里的系统程序，主要任务有姿态解算、电机输出控制，与上位机的通信。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,上位机界面,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,下位机程序流程图,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,姿态控制程序设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,无线模块驱动程序设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第7章机载控制系统软件设计,数据转发控制器程序设计,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,第8章系统调试与飞行测试,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,总结展望,总结本设计的主要工作：（1）对四旋翼飞行器进行了资料搜索，了解国内外发展现状；（2）对四桨碟形飞行器的飞行原理和动力学进行了理论分析；（3）对四旋翼飞行器的姿态检测、姿态控制理论进行了分析研究；（4）完成了微型四旋翼飞行器实验平台的硬件设计和软件设计。（5）完成对半自主飞行控制系统软硬件的实现与调试（6）对飞行器进行了试飞工作虽然已经系统硬件软件均成功通过了测试，但距离实用，至少还需要三个改进：一、改进控制算法，使机体更平稳；二、增加卫星导航定位，实现预定航线飞行；三、要用增稳云台，遥感传感器要装在云台上，扩展飞行器的实用功能。,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,参考文献,1E.Altug,J.Ostrowski,R.Mahony.ControlofaquadrotorhelicopterusingvisualfeedbackC.IEEEInternationalConferenceOnRobotics&Automation,May2002,pp:72-77.2E.Altug,J.Ostrowski,C.Taylor.QuadrotorcontrolusingdualcameravisualfeedbackC,IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,Sept2003,pp:4294-4299.3E.Altug,C.Taylor.Vision-basedposeestimationandcontrolofamodelhelicop-terC.IEEEInternationalConferenceonMechatronics,June2004,pp:316-321.4J.P.How,B.Bethke,A.Frank,etal.Real-timeindoorautonomousvehicletestenvironmentJ.IEEEControlSystemsMagazine,2008,pp:51-64.5G.Homann,D.Rajnarayan,S.Waslander,D.Dostal,J.Jang,C.Tomlin.Thest-anfordtestbedofautonomousrotorcraftformulti-agentcontrolC.DigitalAvionicsSystemConference,Nov.2004.6G.Homann,H.Huang,S.Waslander,C.Tomlin.Quadrotorhelicopterflightdynamicsandcontrol:theoryandexperimentC.AIAAGuidance,Navigation&ControlConference,Aug.2007,pp:2007-6461.,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,参考文献,7G.Homann,S.Waslander,C.Tomlin.QuadrotorhelicoptertrajectorytrackingcontrolC.AIAAGuidance,Navigation&ControlConference,Aug.2008,pp:2008-7410.8G.Homann,J.Jang,S.Waslander,C.Tomlin.Multi-agentQuadrotortestbeddesign:integralslidingmodevs.reinforcementlearningC.IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Aug.2005,pp:3712-3717.9T.Hamel,R.Mahony,R.Lozano,J.Ostrowski.DynamicmodellingandcongurationstabilizationforanX4-flyerC.InternationalFederationofAutomaticControlSymposium,Barcelona,Spain,2002.10P.Castillo,A.Dzul,R.Lozano.Real-timestabilizationandtrackingofafour-rotorminirotorcraftJ.IEEETransactionsonControlSystemsTechnolo-gy,July2004,vol.12,pp:510-516.11D.Lara,A.Sanchez,R.Lozano,P.Castillo.Real-timeembeddedcontrolsystemforVTOLaircrafts:applicationtostabilizeaquad-rotorhelicopterC.IEEEInternationalConferenceonControlApplications,Munich,Germany,Oct.2006,pp:2553-2558.,微型四旋翼实验平台的设计及控制技术研究,参考文献,12P.Castillo,P.Albertos,P.Garcia,R.Lozano.Simplereal-timeattitudestabiliza-tionofaquad-rotoraircraftwithboundedsignalsC.IEEEConferenceonDecision&Control,