四旋翼飞行器实验小组

1、四旋翼飞行器设计报告四旋翼飞行器实验小组：陈勇张刘星魏鑫 目录四旋翼飞行器设计题目原文4基本要求4发挥部分：4说明：5实验材料6STM32f103系列开发板6内核6存储器6电源管理6低功耗6模数转换器7DMA7调试模式7计算单元7封装7simon无刷电子调速器8超声波测距模块9mpu-6050陀螺仪11实验的开展方法11实验的具体内容11实验一：电子调速器的使用与飞行器简单升降动作的实现11实验目的11实验原理12实验方法12实验步骤12实验结果12实验总结及改进12实验二：超声波测距、红外线测距的工作原理及飞行器避障动作触发条件的探索13实验目的13实验原理13试验方法13实验步骤13实验结

2、果13实验总结及改进13实验三：陀螺仪的信号输出方式及飞行器转向动作的实现14实验目的14实验原理14试验方法14实验步骤14实验结果14实验总结及实验改进14实验相关材料及代码14四旋翼飞行器设计题目原文设计制作一架能够自主飞行并进行避障的四旋翼飞行器基本要求： 1、四旋翼飞行器能够根据起飞前预置的指令起飞，飞离地面高度应超过30cm，飞行距离（水平）应超过60cm，然后飞行器应能平稳降落。（10分）2、飞行器能够根据指定的飞行高度及降落地点（方向及距离）连续稳定地完成起飞、指定高度水平飞行、平稳降落等动作。（10分）3、飞行器能够自主判断前方障碍物并绕开障碍物飞行（设计中障碍物使用一个定点

3、实现），障碍物离地面垂直高度为50cm。（10分）发挥部分： 1、在基本要求1实现的基础上，能够按照预置指令降落在预定地点（水平距离80cm处），误差±5cm；（15分）2、飞行器能够根据起飞前预置的指令垂直起飞，起飞后能够在50cm以上高度平稳悬停5s以上，然后再平稳缓慢降落到起飞地点；起飞与降落地点水平距离不超过50cm。（15分）3、飞行器能够自主判断前方移动的障碍物并绕开障碍物飞行（在基本要求3的基础上，障碍物位置可以任意出现）。（5分）4、障碍物设定为两处，两个障碍物之间的距离大于飞行器的最宽距离10cm，飞行器能够自行判断并从两个障碍物之间飞过。（5分） 5、其他自主发挥

4、设计的飞行动作。（10分）设计报告（20分）项 目主要内容分数系统方案方案比较，方案描述5设计与论证飞行器姿态测量方法飞行控制器控制方法与参数计算8测试测试方法、结果与分析5设计报告结构及规范性摘要，正文结构完整性、内容规范性2小计20说明： 1、飞行器在完成每一项飞行动作期间不得以任何方式进行人为干预，如遥控等。 2、飞行器的尺寸可自行选定。 3、飞行方向以正北方向为0°、东北方向为45°、正东方向为90°等，以此类推；距离的单位为厘米（cm）。 4、指定的降落地点是指降落地点距起飞地的水平距离及方向。 5、平稳降落是指在降落过程中无明显的跌落、弹跳及着地后滑行

5、等情况出现。 6、为确保安全，飞行器应在安全网中或在系留方式下工作（即以绳索将飞行器拴在地面固定物上）。实验材料STM32f103开发板 simon无刷电子调速器 银燕无刷电机 超声波测距模块 mpu-6050陀螺仪STM32f103系列开发板STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。内核-ARM 32

6、位的Cortex-M3-最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）-单周期乘法和硬件除法存储器-从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103XXXX中的第二个X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）-最大64K字节的SRAM电源管理-2.0-3.6V供电和I/O引脚-上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）-4-16MHZ晶振振荡器-内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器-内嵌带校准的40KHz的RC振荡器

7、-产生CPU时钟的PLL-带校准的32KHz的RC振荡器低功耗-睡眠、停机和待机模式-Vbat为RTC和后备寄存器供电模数转换器-2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）-转换范围：0至3.6V-双采样和保持功能-温度传感器DMA-2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道-支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART-多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)-26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号调试模式-串行单线调试（SWD)和JTAG

8、接口-多达8个定时器-3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入-1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器-2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）-系统时间定时器：24位自减型计数器-多达9个通信接口：2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制）2个SPI接口(18M位/秒）CAN接口（2.0B主动）USB 2.0全速接口计算单元CRC计算单元，96位的新批唯一代码封装ECOPACK封装simon无刷电子调速器1 无传感器无刷直流电机

9、控制原理目前常用的无刷直流电机控制方法可分为开环控制、转速负反馈控制和电压负反馈加电流正反馈控制等3类。其中开环控制方式适合于转速精度要求不高的场合，转速负反馈方式适合于机械特性要求比较硬、转速精度比较高的场合，而电压负反馈电流正反馈方式则应用于动态性能要求比较高的场合。对于航模用的无刷直流电机，转速精度要求并不很高，使用开环控制方式就可满足要求。图1是无刷直流电机的电路原理图3 。采用二相 导通星形三相六状态控制策略时，其工作过程如下：1.1.1 wt=0º电流：电源（+）T1UVT4电源 （-）wt=60º电流：电源（+）T1UWT6电源（-）wt=120º电

10、流：电源（+）T3VWT6电源 （-）wt=180º电流：电源（+）T3VUT2电源（-）wt=240º电流：电源（+）T5WUT2电源 （-）wt=300º电流：电源（+）T5WVT4电源（-）wt=360º电流：电源（+）T1UVT4电源 （-）由此可看出，只要转子在合适的位置及时准确地切换相应的开关管进行换流，电机就能平稳旋转并获得最大的转矩。无位置传感器无刷直流电机位置检测方法选择无位置传感器无刷直流电机控制的一个关键点就是电机转子位置信息的检测与估计。作者在设计中使用了反电动势过零法4对转子位置进行检测。该方法 具有线路简单、技术成熟、成本低廉

11、等优点，当然也存在电机不转及转速很低时反电势无法检测的缺点。对于这些不足，作者使用了软件优化等方法予以克服。 反电势过零法的工作原理如图2所示，在任何时刻，电动机三相绕组只有两相导通，每相绕组正反相分别导通120º电角度。通过测量三相绕组端子及中性点相对于直流母线负端（或正端）的电位，当某端点电位与中性点电位相等时，则此时刻该相绕组反电动势过零，再过30º电角度就必须对功率器件进行换相。据此可设计过零检测及移相（或定时）电路，从而得到全桥驱动6个功率器件的开关顺序由电机学原理3 可得，三相的反电势过零检测方 程为（以U相为例） eU=uU-1 /2（uV+uW） （1）1.

12、2 PWM调制方式的选择5从图2可见，永磁无刷直流电机每1个周期由6个60º的扇区组成，每个元件导通120º，即在两个连续 的扇区中导通。因此有半桥载波和全桥载波两种PWM调制方式。对于永磁直流电机而言，无论是上半桥载波还是下半桥载波，截止相都会产生续流，导致其余两相电流产生波动，电机转速越高，相应的波动也就越大。而采用全桥载波，则始终有两相导通，截止相不会产生续流，电流波动和转矩脉动都较小。但全桥载波时功率管的开关损耗是半桥载波方式的2倍。目前，已经有很多MCU具有PWM输出功能。使用MCU自带的PWM功能不需要增加外围电路。硬件PWM不仅可以减少软件编制的难度， 而且从

13、速度和精度上讲，硬件PWM都是优于软件PWM的。1.3 启动策略 启动方法分为硬件方式和软件方式两种。硬件方式因需要增加额外的电路，不适合于电路要求简单的航模控制领域。因此，作者在设计中使用了软件启动法。在电机静止和低速运行时，其反电势为零或极低，无法检测，因此采用外同步起动的方法。在电机起动时，先在某相加电压，然后检测过零点；若检测到过零点，就提前切换；如果检测不到就延时一段时间再切换。以此来使电机转速逐渐升高，当反电势足够大时，则进入正常运转方式。2 统设计 2.1 总体设计如前所述，在航模电机调速控制系统中，对设计者 最大的挑战就是如何通过简单的电路、较少的元器件在有限的空间里设计出高效

14、、可靠的控制系统。作者选用了MEGA8单片机作为系统控制核心，在电机驱动部分使用P沟道和N沟道配合的全桥驱动电路。对 于一些既可以使用硬件电路又可以使用软件程序实现的功能，在设计中将权衡两者的速度、精度和复杂程度作出合理的选择。航模电机调速控制系统具有以下功能：电机速度控制信号的检测；三相直流无传感器无刷电机的调速控制；电池电压检测。2.2 硬件设计系统硬件框图如图3所示，其中虚线部分只在开发调试中使用。2.3 MEGA8单片机简介MEGA8单片机内部集成了8kB的FLASH， 具有丰富强大的硬件接口电路，但由于采用了小引脚封装，价格与低档单片机相当，因此具有极高的性价比。当工作在16MHz时

15、，具有16MIPS（millioninstructionsper second） 的性能，完全可以适合无传感器无刷直流电机的控制需求。采用TQFP封装的MEGA8单片机具有2 通道8位A/D转换，可以胜任电池电压检测这种对精 度没有苛刻要求的功能。MEGA8最多有23个可编程的I/O口， 可任意定义I/O口的输出和输入方向。输出时为推挽输出，驱动能力强，可直接驱动大电流负载。输入口可定义为3态输入， 带内部上拉电阻输入，具有一定的灵活性，且可以简化外部电路。另外，MEGA8支持ISP功能，在程序设计、调试时可以很方便地对器件进在线编程、修改而不需要使用专用设备。2.4 反电势过零检测电路 ME

16、GA8具有AD转换电路， 可以直接将待检测的电路接入ADC端口检测电压值。但是对于反电势过零法而言，要获得的并不是具体的反电势电压值，而只是反电势的过零点，因此如果直接使用MEGA8的AD功能，虽然在电路上是简化了，但是在软件的编制上却带来了很大的问题。AD采样不仅使软件程序编制复杂，而且运行AD采样将占用过多的MCU运行时间，降低了程序的实时性。实际上只需要根据式（1）确定反电势符号改变的时刻，就可认为检测到了过零点。因此在设计中采用了专门的过零点检测电路，使用简单的硬件电路解决软件AD采样和电压比较的复杂过程。实际电路如图4所示（U相电路）。当截相U反电势到达过零点时，LM339将产生一个

17、脉冲。根据公式（1），当反电势为零时有2uU=uV+uW，从图中可见，在uU从+-过程中输出U处产生一个下降沿脉冲，在uU从-+过程中输出U处产生一个上升沿脉冲。单片机通过检测脉冲的变化即可得到过零点的位置。2.5 电机驱动电路 电机的驱动采用全桥驱动电路，使用1对P和N沟道的POWERMOSFET控制，其电路如图5所示。MEGA8单片机具有3个硬件PWM通道，可以实现任意<16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出。因此在设计中直接使用硬件PWM功能，一方面提高PWM的输出精度；另一方面也可以减少软件编程的难度。2.6 控制程序设计 由于使用反电势过零法实现电机的驱动，电机的 控制将完

18、全依赖于MEGA8的控制程序。当电机高速运转时（转速最高可达60000r/min），换相必须在很短的时间内完成。这就要求电机控制程序的算法简短、精确并高效。电机调速控制信号的周期通常在1100µs1900µs之间。程序使用MEGA8内部定时器作为检测调速信号的基准时钟。当MEAGE8工作在16MHz、定时器工作在8分频的模式下时，定时器的时间精度为0.5µ s，程序检测控制信号的精度达到0.5%。 电机调速控制信号的检测在外部中断程序中完成，如图6所示。外部中断程序检测调速控信号的上升沿与下降沿，根据基准时钟计算出脉冲时间，然后设置PWM的占空比。电机的换相控制在

19、程序主流程中完成，如图7所示。程序以三相六状态循环的方式工作。当进入一个状态的控制阶段时，程序首先根据上一次换相的时间估算本次过零点时间，然后等待检测反电势过零点。当检测到准确的过零点时间后，程序计算出本次换相点理论时间（30º换相时间）。随后根据设置的参数对换相时间做修正，以发挥电机的最大工作效率。当换相时间到达时，程序切换MOSFET管的通断状态，然后进入下一状态的控制阶段。另外，航模在实际使用中经常会发生电池电压过高或过低、控制信号中断、电机堵转等意外情况。电池电压过高或过低可能导致控制板电路无法正常工作。电机堵转可能造成电池与电机的烧毁。因此作者在设计控制程序时加入了如下保护

20、措施：在电机启动之前， 程序首先检测电池的电压。如果电池电压过低或过高，程序会发出报警；程序通过一个定时器中断检测控制脉冲信号的输入情况。如果在一定时间内没有信号输入，程序将关闭电机以防发生意外情况；程序在每次换相结束后， 都会检测电池的当前电压与电机的工作电流。当电机发生堵转时，通过电机的电流会陡然上升，软件将立即关闭电流输出以防止电池或电机的损坏；程序启动MEGA8中的看门狗功能，用以外扰导致软件发生异常时自动启动。电子调速器的组成 电子调速器由转速调整电位器、转速传感器、控制器、执行器和保险电路等组成。1.转速传感器它应采集尽可能高的信号频率。设计采用最高的信号频率为12000Hz发动机

21、转速与频率关系的计算公式如下：f=nz/60。式中f-频率Hz n-发动机的转速rmin； Z-传感齿轮齿致（或飞轮外圈齿数）。传感器最好是从飞轮处测量转速，安装时传感器与飞轮齿圈齿顶的间隙为0.4-0.8mm。2.控制器它的作用是根据传感器测出的转速实际值与其中设定值，进行比较、并驱动执行器执行。3.转速调整电位器它用来根据发动机使用的最高允许转速来调定频率。在订购时若写明发动机的运行频率，工厂根据要求调定好频率。若订单上未注明机组运行频率，则出厂时频率调定为2000Hz。如果此调定的频率在发动机的空转和最高转之间，则可起动发动机并调节"speedmax" （最高转速）电

22、位器使发动机获得最高运转频率。4.执行器执行器主要由直流电机，传动齿轮，输出轴及反馈部件组成。执行器由直流电机驱动，其扭矩通过一个中间齿轮传至输出轴。反馈部件将执行器的工作状态传入控制器以形成闭环控制系统。执行器的输出轴摇臂通过调节连杆与喷油泵齿杆相连。5.保险电路在电子调速系统中设有保险电路，当传感信号中断，如因电缆断裂发动机停止远行时，它可以使执行器停止工作，并使输出轴摇臂恢复至"0"位置simonk 12A电子调速器采用以SimonK程序为基础的EMAX无刷马达simonk 12A电子调速器，其具有低压保护、过温保护、油门丢失保护等功能，simonk 12A电子调速器

23、的MCU（单片微型计算机）和BEC（控制电源）采用不同的稳压器，彼此独立，提高了抗干扰能力。simonk 12A电子调速器可根据接收到的PWM信号，对（无刷）电机进行控制，使电机可以根据需求进行不同功率下的工作。四旋翼飞行器的升降可由单片机输出特定的PWM信号进行指定的动作。Simonk12A电子调速器为直流电输入电子调速器，可以接稳压电源、锂电池。2-6节锂电池左右为一般的供电。三相交流电输出，直接相连电机的三相输入端。假若上电后电机反转，只需要对换三根线中任意两根位置，就可以。电调还有三根信号线连出，用来与接收机连接，控制电机的运转。另外，电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有

24、5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。超声波测距模块1 超声波测距原理    超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波；同理，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。测距原理如图1所示。 被测距离。式中：s为超声波传播距离；h为发射探头与接收探头之间的距离。    由于s远大于h，因此可近似认为d=s，则d=s=ct2，t为发射超声波与接收超声波的时间间隔，c为

25、超声波在空气中的传播速度。    在空气中，常温下超声波的传播速度是334ms，但其传播速度c易受空气中温度的影响，声速与温度关系如表1所示，由此可修正超声波传播速度        可见，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及环境温度T，就能得到较为精确的距离。2 方案设计21 电路设计    设计的超声测距模块由超声波发射单元、超声波接收单元、温度测量单元、液晶显示单元和ISP下载单元等部分构成，系统框图如图2所示。211 单片机单元  &

26、#160; 单片机是整个系统的控制核心，本文选用AT89S51，测量时，由单片机输出40 kHz左右的脉冲信号，驱动超声波发射器发出超声波脉冲，同时启动单片机计时器，开始计时。超声波达到目标时回传，经空气传播被超声波接收器接收，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔t，从而得到距离数据。212 超声波发射单元    考虑到单片机端口驱动能力有限，本文采用LM386对输出信号进行功率放大，LM386多用于音频放大，也可用于超声波发射。如图3所示，LM386第1脚和第8脚之间串接的E1、R1，可使电路获得较大的增益，T0为单片机输入的脉冲信号，经功率放大

27、后由第5脚输出，驱动探头发射超声波。213 超声波接收单元    为了顺利接收回波信号，本文采用索尼公司生产的集成芯片CX20106，如图4所示，CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，范围为3060 kHz，因此本文采用它来做接收电路。    回波信号先经过CX20106内部的前置放大器和限幅放大器，将信号调整到适当的幅值，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端7脚，7脚与

28、单片机INT0连接，当接收到与滤波器中心频率相符的回波信号时，输出端7脚即输出低电平，触发中断。214 温度测量、液晶显示与ISP单元    温度测量单元选用1Wire总线器件DS18B20作为传感器，实现对温度数据的采集，液晶模块实现测量数据的显示，ISP单元实现程序代码的在系统下载，电路图从略。22 软件设计    软件部分主要包括主程序和中断服务子程序，如图5所示。主程序主要完成系统初始化、温度读取和超声波发射；中断服务子程序主要完成计数值的读取、距离计算、输出显示等工作。3 实验结果及分析    表2是利用本文的测距模块实际测量的结果。由表中数据可见，在30cm范围内误差较大，这是由于超声波信号的发射必须有一个上升时间，如果距离太近单片机难以及时处理回波信号，无法正确检测回波到达时间，因而测量误差明显增加；而距离在30em以上时，由于引入温度补偿单元，因而误差相对较小。mpu-6050陀螺仪实验的开展方法以小组开展实验为主要手段对飞行器各个部件进行