2013国赛四旋翼飞行器论文.

1、摘要本文对四桨碟形飞行器进行了初步的研究和设计。 首先，对飞行器各旋翼的 升力做了测试，分析了升力产生效率与PWM频率的关系并选择了此样机的最优工 作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。本飞行器采用R5F100LE单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器 MPU6050 采集机身平衡信息并进行闭环的 PID 控制来保持机身的平衡。整个控 制系统包括电源模块、 角度传感器模块、 电子调速模块、 超声波测距模块及微处 理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角 速率信号，构成飞行器的增稳系统。本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。关键字：R5F100LE单片机

2、、角度传感、PWM频率、PID控制。目录1 系统方案 21.1 电子调速模块的选择 21.2 角度传感模块的论证与选择 21.3 超声波测距的选择 31.4 电源的论证与选择 32 系统理论分析与计算 32.1 控制理论的分析 32.1.1 控制方式 32.1.2 PID 算法 42.1.3 PID 计算 43 电路与程序设计 43.1 电路的设计 43.1.1 系统总体框图 43.1.2 电机驱动电路 53.1.3 HC-SR04 子系统电路 63.1.4 电源 63.2 程序的设计 63.2.1 程序功能描述 63.2.2 主程序流程图 64 测试方案与测试结果 74.1 测试方案 74.

3、2 测试条件与仪器 104.3 测试结果及分析 104.3.1测试结果 （数据 ） 114.3.2 测试分析与结论 11附录 1：电路原理图 12附录 2：源程序 14四旋翼自主飞行器（）1系统方案本系统主要由电子调速模块、角度传感模块、超声波测距模块、电源模块组 成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1电子调速模块的选择由于飞行器需要强大的动力，普通的电机不适合飞行器的开发，无刷直流电 动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，更重要 的是无刷电机经常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模

4、，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。所以我们采用 A2208型号无刷电机，通过电子调速器根据 R5F100LE单片机控制PWM的占 空比输出的大小来控制电机，使这个电子调速模块能准确实时的控制电机的转 速，来控制飞行器的各项指标。12角度传感模块的论证与选择采用角度传感器：这个模块实际上是加速度传感器，内部是测X,Y,Z轴方向 上的三个加速度，然后单片机或者arm通过读取三个加速度值，通过反正切artan 运算来算出角度值。因为是间接得到，所以在外部设备有抖动的状态下误差较大， 一般还动过一个陀螺仪得出的角速度值，两者通过卡尔曼滤波融合，得到一个相对抗扰动的角度值。万案一

5、：采用陀螺仪mpu6050模块：陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指 的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向， 制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所 指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪的作用是测定加速度的矢 量，优点是不受磁场影响。最终方案：相比较后，我们认为mpu6050模块较适合飞行器姿态的控制，最终选择方案1.3 超声波测距的选择我们采用 HC-SR04 模块进行超声波测距，来控制飞行高度。 HC-SR04 模块 能提供 2cm-400

6、cm 的非接触式距离感测功能，其基本工作原理为采用IO 口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送 8个40khz的方波， 自动检测是否有信号返回，有信号返回通过 IO 口 ECHO输出一个高电平，高电 平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 测试距离 =（高电平持续的时间 * 声速（340m/s） /2。基于它的工作原理，我们决定用 HC-SR04来采集数据来控 制飞行器的飞行高度。1.4 电源的论证与选择方案一：采用铅酸电池：铅酸电池（ VRLA ），是一种电极主要由铅及其氧化物制成， 电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅， 负极主要成

7、分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。采用锂聚合物电池：它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池（Li-ion） 相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种 明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配 合各种产品的需要， 制作成任何形状与容量的电池。 该类电池可以达到的最小厚 度可达 0.5mm。相同容量的铅酸电池比锂聚合物电池便宜很多， 但重量比锂聚合物电池重很 多！ 而飞行器的载重能力有限，所以最终选择方案二锂聚合物电池。2 系统理论分析与计算2.1 控制理论的分析2.1.1控制方式 本次比赛的难点在于如何使飞行器在空中较好

8、的实现平衡控制， 然后使其进 行巡线飞行和降落。文中所研究的四旋翼结构属于 X型分布 即螺旋桨M1和M4 与M却M咲于X轴对称螺旋桨M1和M2与 M3和M联于Y轴对称如图1所示 对于 四旋翼的模型践行简单的数学物理建模。 通过陀螺仪返回的留个数据进行四元数 拟合处理得到空间欧拉角。然后返回给系统进行闭环 PID控制。2.1.2 PID 算法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，控制理论 的其他技术难以采用时，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.即使当我们不完全了解一个系统和被控对 象，或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数

9、时，也适合采用PID控制技术. PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算。2.1.3 PID 计算PID计算方式如图2-1所示图2-1 PID计算方式经过测算和推导，我们得出了 PID的计算公式为2-1。u =Kpe(t) + re(t)dt + 加欝 at(2-1)在该飞行器系统中，PID各个参数经过调试得出：K=1P=300I=0D=1253电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3-1所示。mpu60503.1.2电机驱动电路介合电游模块图3-1系统总体框图R5F100LE* | 电子调速gjVCC BATGNDGNDGNDGND图3-2电机驱

10、动系统电路3.1.3 HC-SR04子系统电路屮1HLiirm I图3-3 HC-SR04子系统电路3.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压 管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现传感检测和 PWM输出的更改。（1）传感检测功能：设置高度和角度的输出信号类型。（2）PW输出：根据检测的数据，通过 PID算法更改PW啲输出。3.2.2主程序流程图幵蛤4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试测量飞行器距离地面距离使用超声波模块。之前没有使用

11、过瑞萨单片机，所以先用51单片机编程用1602显示超声波所测就离进行调试。然后再将51单片机的程序改到瑞萨单片机里。飞行器的不确定因素很多，最先使用电源箱进行测 试比使用电池更容易控制。为防止飞行器飞出伤人，用四根结实的尼龙绳将飞行器的四个底座固定在地面进行基础测试。2、软件仿真测试配置仿真器PY-qpscl. T ree.買髓ick Test Proj&t)-:-昌 R5F1MLE (MicrDccntrollerJi iJ Code GcncratDr (Drsjgn Tool)L-AfcHTSKCffi 恤dki Tppflilncliin；; 11 耳厂3t-i E/*吕和ln;ii却

12、3 “巴山手匚心血 Gen曰出eh 他zz 当 FYopEfty【彳ilitjitx 号 RL帀曰(SaMPnpatK曰 iBlRrndlFKiMWi沁甘屉胡划対幽&4Site of rlemaJ 闻EMb綁却茄Sum cF Ds taPaih吗f1aa |4Yinwijlgt&rTljUsir*g Debug Tool囹 Property-*/i Startup 匚Cade GeneratBr_mainxF_tystemirMLc 也 F_Eg_eg_fnil| fed nadiw lhfecb it M intatMl ADM ( inter Wsl? flfl 5K4FIVSW 应 Ei

13、T4*5kT LWr ICMinect SettRjs- DeFbuq TD0l5dtl护,：D口PMad Hie 5elnqs- -； HckTTaps-图4-2配置仿真器图4-1选择仿真器（1）如图4-1所示，CubeSuite+适用多种仿真器（IECUBE E1、E20 EZ Emulator、Simulator ），在 Project Tree Panel 中单击 RL78 Simulator 右 键，选择Using Debug ToolRL78 E1，为本次调试选用仿真器 E1 。（2） 如图 4-2 所示，在 Project Tree Pan el中双击 RL78 E1（ Seri

14、al）， 开启Property 窗口，设置E1输出5V驱动电源。下载目标文件目标文件就是由用户程序编译成的二进制文件，扩展名是*.lmf。CubeSuite+面板上的Download （快捷键F6 ） 按钮型d,或从菜单中选择Debug- Build & Dow nload，即可开始下载目标文件。执行与停止程序下载目标文件后，自动启动如下窗口。执行按钮汇编程矗 / h H“仙4Le 川eUtcefELI：WTirpf円則 Ml:图4-3 CubeSuite+ 调试主面板EJ Zk Fw - FW EMM - 源程序kJ* L- a-、 - -.-= k-*-I- jL .二MdTiswa.扎

15、hJl* 刖科他畀區 卜、叮 C-odi二 Ri-Ms 可ri maJ 匚 l他“iU r jmJjuB.l r 屮 ，r 叩 PF g.pLJ g_P e I pfr5i1 I r eg Iwt 丸命e w r吨吓1 laUI i| x 5 -dJjrUtafsnw frllWttr 翊 kibLEW十!j H.IJ.二 jNfug.9 N.1 iSobHKk =- jTj Jam! driB.iiiih -r Y亠 Ju! ，卜.in. W-al:gmj:-1* fl -wra.-4I-f M（1） 执行程序：点击主面板工具栏上的执行按钮（快捷键F5），或从 Debug菜单中选择Go。（2

16、） 单步执行：点击主面板工具栏上的Execution Step in按钮也（快捷键F11 ），或从Debug菜单中选择Step in 。（ Execution Step over 按钮匡（快捷键F10）也是单步执行，但执行时，将整个函数作为一步，跳过函数实现代码。）（3）停止执行：在程序执行期间，按停止按钮* （快捷键Shift+F5 ），或从Debug 菜单中选择Stop。（3）重启：点击重启钮 （快捷键Ctrl+F5 ），或从Debug菜单中选择CPU Reset，无论程序是否在执行，都可以执行重启操作。调试功能变量监控功能(1)观察变量:在代码中，选择用户需要观察的变量，单击右键，选择R

17、egister to Watchl, 将变量 添加到W atch 1窗口，这样就可以观测到该变量的当前值。随着程序的 执行，变量的值也会刷新。headAckm fwrTl.Clrl+X卅 PatteCirl+C勺r 心CtH+VeL1(D1X Find.Ctrl+FIdXZ -4 Tfc.Qr1+乜i * y址4口rForwiiinJ托it CunKKbnliDCS =MCZ Ml：3Q：cB*ckUse ty地r PchienWh-Ll 1 !1ngrFKtui：-3Z_SsBj-le rzc：i iSdion Ewrt-5图 4-7 3.8 Actio n Event对话图4-6 开启 A

18、ction Event功能设定完成后，该变量的行就会显示红色,并且在行号旁边显示Action Eve nt程序执行时，在 OutPut Panel中，根据程序的运行情况，会输出该变量的变化过程。(2)关闭 Actio n Eve nt功能:程序停止时，在设定变量的行,选中Action Eve nt标志V，单击右键,选择 Delete Eve nts，关闭 Actio n Eve nt功能。设置断点如果需要程序在某些地方停止执行,可以设置软件断点，程序运行到该行之前会停止。可以设置断点的程序行左边有地址显示，在地址行右边空白区域单击，可即可。以加入一 个断点，断点处出现一个标识，设定了断点的行显

19、示为红色。程序执行到断点行将停止。要去掉断点，只需单击断点标识4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表， 指针式万用表。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果（数据）测试次数飞起高度是否飞到B区飞行时间第一次35cm否2s第二次50cm否2s第三次38cm否4s第四次65cm是5s第五次45cm否6s第六次70cm是8s第七次65cm是8s4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，基本可以达到预期目标，说明我们的硬件和软件的设计 基本趋于合理，达到要求。

20、附录1:电路原理图3E- zF*5詁Jw5E_V55it:-TJ-fr.r.n c_$-5oE_NzznNzNN,-rz$7富X.r- 丁古-=b.*r3TOMI1h PifiO2S PinO?sN HnM4TOOIUsRESETN PisiO77N PinO SgS PmOJ9S Pin 1010himIIh REGC12I*L丄* 1516LF帀ufXdLP o.luFFO.-iTiiF嘗HNWU、nmJ=FwPa2fi/ANJ19P43P42fri(MnJ(MP4i/TM3TO(rTREStTPl24fltT2/EXCLKS PI1S/XT1FIJ7/UMTPQPI22/X2/EXCLK

21、PI2I/XIREGCVSSEVSS&VDOEVDDO匚疋證82 Mg flbwsg s M/rg aM定=z二 ddwHAYWHz-cd ocz Q-uugg-cig 旦 c _#二二 二S/S 二 N= sss-as = 51 0OTE8一悝MMPI47/AMIKPhi*PliVSLKuOLLlJO F 打/SkJO/R UWTl JOLHilMSlJ 為 IM F12?S(X)(l/TxDGrrMJLTxD P13/TjiJD2/SO20 P1 VRxD2M2WSDA20PlS/SCk2WStL20RL78/G13LQFP64二二二尹= X175.lz_/ok& 官 CM/OE 官a.

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