四轴飞行器设计毕业设计论文

目录TOC\o"1-3"\h\u17328第一部分设计任务与调研 第一部分设计任务与调研研究背景四轴飞行器具备VTOL(VerticalTake-OffandLanding，垂直起降)飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。因此，四轴飞行器的研究意义重大。毕业设计的主要任务本设计基于Arduino平台的四轴飞行器，包括Arduino最小系统、传感器模块、供电模块、电机驱动模块、蓝牙通讯模块等部分组成。通过Arduino最小系统采集各传感器模块的数据并进行分析，将处理结果送入电机驱动模块进行姿态调整，实现四轴平稳飞行，系统框图如下：图1系统框图第二部分设计说明理论分析设计一个基于Arduino开源硬件平台的最小系统板，采集传感器的数据，传递给主芯片，芯片通过具体算法得出数据调整翼动部分实现水平。下面将分析一种常见的四轴飞行器姿态解算方法，Mahony的互补滤波法。此法简单有效，先定义Kp，Ki，以及halfT。Kp，Ki，控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度halfT，姿态解算时间的一半。此处解算姿态速度为500HZ，因此halfT为0.001#defineKp2.0f#defineKi0.002f#definehalfT0.001f初始化四元数floatq0=1,q1=0,q2=0,q3=0;定义姿态解算误差的积分floatexInt=0,eyInt=0,ezInt=0;以下为姿态解算函数。参数gx，gy，gz分别对应三个轴的角速度，单位是弧度/秒;参数ax，ay，az分别对应三个轴的加速度原始数据由于加速度的噪声较大，此处应采用滤波后的数据voidIMUupdate(floatgx,floatgy,floatgz,floatax,floatay,floataz){floatnorm;floatvx,vy,vz;floatex,ey,ez;将加速度的原始数据，归一化，得到单位加速度norm=sqrt(ax*ax+ay*ay+az*az);ax=ax/norm;ay=ay/norm;az=az/norm;把四元数换算成“方向余弦矩阵”中的第三列的三个元素。根据余弦矩阵和欧拉角的定义，地理坐标系的重力向量，转到机体坐标系，正好是这三个元素。所以这里的vx、vy、vz，其实就是当前的机体坐标参照系上，换算出来的重力单位向量。(用表示机体姿态的四元数进行换算)vx=2*(q1*q3-q0*q2);vy=2*(q0*q1+q2*q3);vz=q0*q0-q1*q1-q2*q2+q3*q3;在机体坐标参照系上，加速度计测出来的重力向量是ax、ay、az;陀螺积分后的姿态来推算出的重力向量是vx、vy、vz;它们之间的误差向量，就是陀螺积分后的姿态和加速度计测出来的姿态之间的误差。向量间的误差，可以用向量积(也叫外积、叉乘)来表示，ex、ey、ez就是两个重力向量的叉积。这个叉积向量仍旧是位于机体坐标系上的，而陀螺积分误差也是在机体坐标系，而且叉积的大小与陀螺积分误差成正比，正好拿来纠正陀螺。由于陀螺是对机体直接积分，所以对陀螺的纠正量会直接体现在对机体坐标系的纠正。ex=(ay*vz-az*vy);ey=(az*vx-ax*vz);ez=(ax*vy-ay*vx);将叉乘误差进行积分exInt=exInt+ex*Ki;eyInt=eyInt+ey*Ki;ezInt=ezInt+ez*Ki;用叉乘误差来做PI修正陀螺零偏，通过调节Kp，Ki两个参数，可以控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度gx=gx+Kp*ex+exInt;gy=gy+Kp*ey+eyInt;gz=gz+Kp*ez+ezInt;把指定的参数传进这个函数，再得到相应的四元数，最后转化成欧拉角q0=q0+(-q1*gx-q2*gy-q3*gz)*halfT;q1=q1+(q0*gx+q2*gz-q3*gy)*halfT;q2=q2+(q0*gy-q1*gz+q3*gx)*halfT;q3=q3+(q0*gz+q1*gy-q2*gx)*halfT;四元数单位化norm=sqrt(q0*q0+q1*q1+q2*q2+q3*q3);q0=q0/norm;q1=q1/norm;q2=q2/norm;q3=q3/norm;}姿态解算后，就得到了表示姿态的四元数。但四元数不够直观，一般将其转化为欧拉角。转化时根据旋转轴的次序不同，公式也不同。读完程序，深刻的意识到了理论基础的重要性。Mahony的互补滤波函数，确实很巧妙，利用叉乘误差来修正四轴的姿态，姿态解算速度越快，则解算的精度越高。具体电路原理图如下：图2系统原理图设计方案微控制器的选择方案一采用89C51控制。此方案的优点是成本低，运用广泛，容易上手。但该单片机能够实用的片内外资源有限，定时计数器少，无A/D转换，能用的I/O口比较少，频率低、处理速度慢、功能单一，难以满足设计要求。方案二采用ATMEGA328P-MU微控制芯片。ATMEGA328P-MU，高性能、低功耗AVR8位微控制器，先进的RISC体系结构，高耐力非易失性内存段，微控制器的特殊功能，上电复位和可编程布朗出检测，内部校准的振荡器，外部和内部中断源，六个睡眠模式：空闲，ADC降噪、电源保存、关闭、待机状态，和待机扩展，支持两路串口、IIC、SPI通讯。方案三采用MSP430单片机。该单片机一种16位超低MSP430单片机，它的功耗小、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器，该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。结合本次设计，最终选择方案二，具体方案如下所示：从系统稳定性、适用性考虑采用ATMEAL公司的ATMEGA328P-MU作为智能家居控制系统的主控制器，输入输出的信号由它来处理。它拥有32KB的闪存容量、1KB的EEPROM、20MHz的时钟频率、自带IIC，SPI,USART通讯。是一款高性能、低功耗的AVR8位微控制器，先进的RISC体系结构，上电复位和可编程布朗出检测，内部校准的振荡器，外部和内部中断源，六个睡眠模式：空闲、ADC降噪、电源保存、关闭、待机状态、和待机扩展，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入。（1）14路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入最大电流为40mA。每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接)。除此之外，有些引脚有特定的功能。（2）串口信号RX（0号）、TX（1号）：提供TTL电压水平的串口接收信号。（3）外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。（4）脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10、11）：提供6路8位PWM输出。（5）SPI（10(SS)，11(MOSI)，12(MISO)，13(SCK)）：SPI通信接口。（6）6路模拟输入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0到5V。TWI接口（SDAA4和SCLA5）：支持通信接口（兼容I2C总线），最小系统原理图如下图3所示：图3最小系统图无线模块的选择方案一：ZigBee是一种基于标准的远程监控、控制和传感器网络应用技术。为满足人们对支持低数据速率、低功耗、安全性和可靠性，而且经济高效的标准型无线网络解决方案的需求，ZigBee标准应运而生。核心市场是消费类电子产品、能源管理和效率、医疗保健、家庭自动化、电信服务、楼宇自动化以及工业自动化。方案二：GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。方案三：HM11是一款新型单片蓝牙模块器件，超低待机功耗400uA~800uA，超远连接距离100英尺/60米，超快反应速度0.4秒，安卓、苹果、PC全通用.，收发无字节限制，最高可达6KBytes/秒，不需要做MFI，Android4.3完美支持.使节能设计更方便。结合本次设计，最终选择方案三，具体方案如下所示：HM11是一款新型单片蓝牙模块器件，超低待机功耗400uA~800uA，超远连接距离100英尺/60米，超快反应速度0.4秒，安卓、苹果、PC全通用.，收发无字节限制，最高可达6KBytes/秒，不需要做MFI，Android4.3完美支持，适用于所选手机App。原理图如下图4所示：图4蓝牙模块其他模块图片图5翼动部分驱动电路图6转3.3V模块图7转5V模块第三部分设计成果图8程序调试校准图9PCB正面 图10PCB反面图11样板PCB 图12成品图13部分程序第四部分结束语在学校、院系领导的安排下我们进行了为期近一个月的毕业设计，这也是我们大学生涯里的最后一次设计，看这一个月来所做的紧张而有序的设计工作禁不住生出很多感想也就有一种总结的冲动。首先来说，这次设计是我学了三年全部课程之后的又一次重要检验，它考验了我是否真的牢固掌握了全部所学的专业知识，以及运用知识的能力并且是否具有广泛的视角来看待电子方面的问题。就我而论，通过本次毕业设计，我深深感觉到基础知识的不健全和不牢固，因此尚不能很灵活的解决所遇到的全部问题，从中表现出了这样或那样的不足和漏洞，说明了基本功的不扎实，所幸我得到了老师和同学们的热情帮助，使这些问题得到了解决。这将对我以后的工作和学习有极大的帮助，更全面锻炼了我驾御知识的能力。使我对这三年来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾和复习，让我懂得了如何运用自己所学的知识，同时又学到了猎取其他知识的方法，这些都将作为课本知识的有益补充，为我们以后所要从事的工作打下坚实的基础。最后，这次设计使我得到一次大规模检索相关资料的机会，提高了运用网络和专业计算机软件辅助设计的能力。 第五部分致谢本毕业设计方案是在我的指导老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。从毕业设计方案选题、系统方案设计、流程分析、毕业设计成果报告书撰写，无不凝聚着两位指导老师的汗水与心血！大学学习的几年里，两位导师渊博的知识、严谨的治学态度、忘我工作的敬业精神及正直诚恳的为人，深深地感染和激励着我，使我受益终身。谨向两位导师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意！真诚祝愿两位导师及其家人身体健康、合家幸福！在此，还要感谢老师给本毕业设计方案提出的帮助和建议。在毕业设计方案和成果说明书撰写的过程中，还得到了电子班的同学无私的帮助，和他们在一起学习的日子使我感到温暖，真诚感谢他们的帮助与建议。同时感谢在毕业设计方案中所有被引用文章的作者们。最后，感谢我的父母在我求学路上无悔的支持和不懈的关怀，在我成长的道路上，你们付出了太多太多，没有你们我不可能完成大学的学习！您们辛苦了！特别感谢通过这几年的研究生学习生活，让我受益匪浅。感谢学校给了我一个良好的学习平台，同时感谢帮助和关心过我的每一个人。在今后的日子里，我会更加努力的工作与学习，回报帮助和关心过我的每一个人。第六部分参考文献【1】Arduino