小型四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现

小型四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现,指导老师：胡丹丹 组员：郝伟、李盟、魏泽宇、刘思远、 刘永吉、李臣杰、秦天沐,目录,1、基础理论研究2、硬件选型及系统搭建 3、数学模型建立4、控制算法研究及仿真实验5、飞控程序编写及参数整定 6、四旋翼防护设置及实验环境搭建,Page 1,1、基础理论研究,1、升力系数测试电机转子角速度为，并产生垂直升力F，其关系如下： 其中KP为升力系数。搭建了实验平台，用以测量该系数。,Page 2,1、基础理论研究,实验数据分析：,Page 3,回归方程为：y=(-0.16606)+(1.3493e-007)*x由回归方程得： 1.3493*10-7N/rpm2,(rpm)2,(N),1、基础理论研究,2、扭力系数测试 与升力类似，反扭力矩与转速之间的关系可表示为： 其中M为反扭力矩，为转速，KD为扭力系数,Page 4,当桨发生旋转时，会在桨平面内产生一个同桨旋转方向相反的反扭力，同时整个机构为了保持平衡，会在支点处产生一个同反扭力方向相反的力以抵消反扭力。,1、基础理论研究,实验数据分析：,Page 5,回归方程为: y=(-0.001111)+(1.1779e-009)*x 扭力系数为： =1.1779e-009N/rpm2,(rpm)2,(N*m),1、基础理论研究,3、转动惯量计算 由于四旋翼机体的复杂性，将机体分成几个部分分别计算它们的转动惯量。 电机、起落架、电调简化为质点； 机架等效为质量均匀分布的直杆； 中间的惯导和控制器部分则可等效为立方体。 利用理论公式，分别进行计算并叠加，即可得到机体的转动惯量。 机体的转动惯量：,Page 6,2、硬件电路设计,Page 7,四旋翼无人飞行器硬件系统框图,3、动力学建模,Page 8,d为螺旋桨中心至机体坐标系原点的距离；U1、U2、U3、U4是由4个转子的角速度决定的系统的控制输入量；,为了对四旋翼进行稳定性和控制问题的研究，需要建立相对精确的数学模型。,Page 9,式中， 分别为在地面坐标系下四旋翼飞行器在三个轴向上的线加速度， 分别为横滚角、俯仰角和偏航角，m为飞行器质量，Kp、Kd分别为升力系数和扭力系数，需通过实验测得。Ix、Iy、Iz分别为对应轴的转动惯量。,4、控制算法研究及仿真实验,Page 10,控制系统分为内环控制和外环控制两部分。,内环控制：控制飞行器的姿态，即对飞行器三个转动位移量(,)进行控制；外环控制：控制飞行器的位置，即对三个平动位移 (x,y,z)进行控制。,4、控制算法研究及仿真实验,simulink仿真,4、控制算法研究及仿真实验,控制器,4、控制算法研究及仿真实验,仿真结果,高度,横滚角,5、飞控程序编写及参数整定,基于Keil uVision3软件编写单片机程序： 单片机初始化； 变量及函数定义； 串口通信以及控制算法实现。,PID参数整定过程：对俯仰通道、滚转通道的PID参数分别进行整定。,参数整定平台,整机测试平台,Page 1