机电类创新训练项目申基于嵌入式系统的四旋翼无人飞行器制作和研究

机电类大学生创新训练项目申报书项目名称：基于嵌入式系统的四旋翼无人飞行器制作和研究申请金额：1,500元申请人：冯志业指导老师：唐如龙申请日期：2015-05-10联系电话子邮箱：763554591@南华大学机电类创新训练中心制表2013.1填表说明填写申报书前，请先查阅工程训练中心网站（/）关于机电类大学生创新训练项目管理办法及申请通知。申报书的各项内容要实事求是，表达要明确、严谨。第一次出现的缩写词，需注出全称。《项目申报书》要按顺序逐项填写，空缺页要填“无”。要求一律用A4纸双面打印，于左侧制订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均需与原件一致。电子版填表字体用小四宋体，单倍行距，申请书一式3份交到工程训练中心208办公室。申请参加项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。申报过程有不明事宜，请与工程训练中心联系和咨询，联系电话8282474。项目名称：基于嵌入式系统的四旋翼无人飞行器制作和研究学院名称电气工程学院学生姓名学号专业班级性别入学年份联系方式冯志业20124400222通信1202班男201213653061262罗东20124400221通信1202班男201213017340930李铖20124400228通信1202班男201215211488756冯永达20124400223通信1202班男201218620579103指导教师唐如龙职称实验师项目所属一级学科电子信息学生曾经参与创新、科研及获奖的情况2014年李铖主持大学生创新实验项目被推荐为升级项目2013年项目组成员参加学校工程训练中心的金工实习2014年项目组成员参加学校工程训练中心的电工实习指导教师承担科研课题情况项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题利用ANSYS有限元分析软件对四旋翼飞行机器人结构进行分析优化，使其具有更好的稳定性、更大的承载能力及更少的能耗；再利用ADAMS仿真分析软件对其运动学和动力学进行分析，搭建硬件软件平台，研究制定合适的控制策略，并利用MATLAB软件对其设计一个能够使其自主飞行的系统；同时完成该样机的制作。该项目可以为我校在飞行机器人领域的研究搭建一种实验平台，并为我校参与飞行机器人比赛提供基础。实验的目标如下：（1）确定四旋翼飞行器的动力：根据四旋翼飞行器飞行原理、直升机飞行原理和空气动力学知识确定四旋翼飞行器的动力要求，结合螺旋桨和空气动力学知识确定机翼类型，并选择合适的电机和螺旋桨；（2）四旋翼飞行器的结构设计：根据选择的电机和螺旋桨，和四旋翼飞行器的动力要求，利用材料力学、机械设计、机械原理等知识，设计出四旋翼飞行器的其他零部件，利用UG（或solidworks）三维造型软件完成四旋翼飞行器的三维造型。（3）四旋翼飞行器的结构优化：根据四旋翼飞行器的动力要求、选择的电机和螺旋桨的参数、承载能力以及功耗问题，利用工程优化知识以及ANSYS有限元分析软件对各个零件和飞行器总体结构进行有限元分析，优化各个零件及总体结构；（4）四旋翼飞行器的裸机制作：凭借四旋翼飞行器的零件三维造型和装配图，购买电机、螺旋桨等材料，并加工零件，完成四旋翼飞行器裸机的制作，并通过实验的方法，检验裸机的承载性能，是否满足设计要求，再对其进行进一步的优化；（5）四旋翼飞行器的运动学和动力学的研究：利用UG完成的四旋翼飞行器的三维造型，运用UG、ADAMS（或MATLAB/Smiulink）仿真分析软件对其运动学和动力学进行仿真分析，结合空气动力学和螺旋桨知识对其运动学和动力学进行分析研究；（6）四旋翼飞行器的数学建模：根据四旋翼飞行器的运动学和动力学的研究基础，运用已知的物理定理和方程来建立其数学模型；（7）四旋翼飞行器控制系统研究及设计：基于四旋翼飞行器的数学模型，利用控制原理、单片机、智能控制等方面的知识，设计制定一套经济可靠的通过控制四只旋翼转速来实现飞行姿态控制的自主飞行控制系统，并完成系统调试；（8）四旋翼飞行器的系统联调：将设计好的自主飞行控制系统应用于裸机上，使控制系统和裸机很好的结合，完成四旋翼飞行器的自主飞行样机的制作和试飞，使其能够完成一定的自主飞行任务以及循迹飞行任务。国内外研究现状和发展动态国内外研究现状：四旋翼直升机的概念很久以前就已经提出了，国外早在上世纪初期就有学者开始研究四选旋翼直升机了。国外比较系统深入的研究四旋翼直升机的主要机构有：瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL)、澳大利亚国立大学(AUN)、美国斯坦福大学(Stanford)、麻省理工学院(MIT)、和佐治亚理工大学（GIT）等，其中具有代表性的研究成果样机有：瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X-4FlyerMark、美国斯坦福大学的Mesicopter和STARMAC。瑞士洛桑联邦科技学院的OS4目前该项目已经在Matlab/Smiulink仿真环境下进行了OS4避障模型的测试,设计了避障控制器、基于位置和速度控制的5种下同避碰方法,并做了相关测试实验证明；澳大利亚国立大学的X-4FlyerMark在Matlab仿真分析表明倒转四旋翼结构有利于四旋翼的稳定飞行,并具有较高的抗干扰能力；美国斯坦福大学的Mesicopter目前已经完成了试验样机在一根短垂直杆上离地起飞，STARMAC使四旋翼系统有可靠的、完全自主航点跟踪的能力,使其成为一个测试平台,具备多飞行器协同飞行水平；麻省理工学院目前该项目已完成了四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验室内环境下四旋翼无人机的飞行演示,其中包括多架四旋翼对目标进行连续搜索、跟踪、多机协同和编队飞行等实验。佐治亚理工学的GTMARS是面向火星探测任务而设计的，能够自动将机构展开、自主起降。续航30min、巡航速度可达72km/h、还可以返回到找路器补充能量。他们的最终目标实现室内和室外环境中的自主飞行和多飞行器协同完成具体任务。根据目前国内外的研究状况，该项目在选题上是前沿的，在军用和民用方面具有可预见的现实意义。发展动态：如今四旋翼直升机被认为是一种优秀合理的垂直飞行器，正受到各国不同机构的研究。国内某些机构四旋翼飞行器相关技术研究的主要内容涉及机构设计和基于惯性飞行控制等方面，迄今，已经完成了原型样机的设计与制作以及动力学模型、控制算法的建立和仿真。如：国防科技大学已经完成了控制系统硬件部分的开发和测试、哈尔滨工程大学和南京航空航天大学也已取得相应成绩，并参加飞行机器人比赛取得很好的成绩等。总体来说实验室当前还是处于是实现基于惯导的微小型四旋翼飞行器的自主悬停控制阶段；长远目标是实现可靠、完全自主的无人飞行器，并为之开展智能控制、避障、轨迹规划、多机协同和无线传感器网络等。国内对这一方面研究虽已取得了一定的收获和基础，但跟国外相比还有很大差距。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩与此项目相关的研究积累：本项目组成员具备通信工程理论、电路基本原理、模电数电及信号与系统理论，单片机开发理论等丰富知识。已取得的成绩：团队成员对嵌入式开发较为了解，且有一定的硬件开发经验。项目的创新点和特色项目的技术路线及预期成果技术路线：通过分别制作四旋翼飞行器平台和四旋翼飞行器的控制系统来实现硬件的制作。四旋翼飞行器平台结构四旋翼平台呈十字形交叉，有四个独立电机驱动螺旋桨组成。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨转向相同，相邻的螺旋桨转向相反同时增加减少四个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨速度，可以产生滚动、俯仰等运动。结构图如下：四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分：飞行控制系统和无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单位（由陀螺传感器和加速度传感器组成）检测飞行姿态，通过无线通讯模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I²C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12V电池供电。控制系统结构图如下：无刷直流电机调速系统无刷直流电动机既具有运行效率高、调速性能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，是电机主要发展方向之一，现已成功运用与军事、航空、计算机数控机床、机器人、电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机，其结构为12绕组7对磁极，典型KV值为1400.通常无刷直流电机的控制方式分为有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。有位置传感器控制方式通过再定子上安装电磁式、光电式或者磁敏式位置传感器来检测转子的位置，为驱动电路提供转向信息。无位置传感器的控制方式有很多，包括磁链计算法‘反电动势法、状态观测器法、电感法等。在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最为成熟的、应用最为广泛的一种位置检测方法。本系统采用的饭店董事过零检测法是反电动势法中的一种，通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性，电机的最佳转向时刻是想反电动势过零点延迟30电角度的时刻，而该延迟的电角度对应的时间可以有两次过零点时间间隔计算得到。无刷直流电机调速系统硬件设计该无刷直流电机调速系统有三相全桥驱动电路、反电势过零电路、电流电压检测电路组成电机驱动器。使用一片ATmega8单片机作为控制器，该单片机内部集成了8kB的flash，最多具有23个可编程的I/O口，输出时为推挽结构输出，驱动能力较强。片上集成了AD转换器、模拟比较器、通用定时器、可编程计数器等资源。三相全桥驱动电路利用功率型MOS管作为开关器件，选用P型MOS管FD6637与N型MOS管FD6635搭配使用，设计容量为允许通过的最大电流为30A。FD6637的开关利用三极管9013进行驱动、FD6635的开关直接用单片机的I/O口进行驱动。电路如图3所示。通过R17、R19、R25来减少下管FDD6635的栅极充电电流峰值，防止震荡并保护MOS管；R16、R23、R24作为下拉电阻，保证下关的正常导通与关断；R2、R5、R8作为上管栅极上拉电阻，阻值选择470Ω，既保证了MOS管的开关速率不降低，同时也防止三极管Ic电流过大。A+、B+、C+提供驱动桥的上桥臂的栅极导通信号，分别通过ATmega8的三个硬件PWM通道驱动，通过改变PWM信号的占空比来实现电机调速；A-、B-、C-提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口控制，只有导通和关闭两种状态。反电动势过零检测电路设计电机运行时，同一时刻只有两组绕组导通，另外一组绕组悬空，切割磁感线产生反电动势。反电动势过零点指其绕组端电压等于三相绕组的中点电压，因此通过非导通相绕组的端电压与三相绕组的中点电压比较，就能得到过零点信号。但是电机三相绕组的中点连线未引出，采用三个阻值相同、心型连接的电阻虚拟得到中点电压。如图所示N点位虚拟中点电压，UA、UB、UC为衰减后的电机相电压接单片机的AD0～AD2通道。利用ATmega8内部的模拟比较器实现过零比较，N接比较器的正向输入端，该模拟比较器的负向输入端可以通过软件配置选择片内AD转换器的AD0～AD2通道，用单比较器实现三相电压比较。电流电压监测电路设计电流电压监测电路用来监测无刷直流电机驱动电路的总电流与系统供电电池电压的值。电路如图所示，利用康铜丝构成阻值为0.01Ω的电阻，总电流流过该电阻形成的电压通过R11与C8组成的截止频率为2.3kHz的一阶低通滤波器后连入单片机的AD3端口，通过计算可得系统电流。电压检测电路通过简单的电阻分压形式将系统电池供电电压tiaozhengdaoAD转换器的量程范围内。通过电流电压监测防止因为故障发生时因为电流过大而烧毁设备，也防止飞行器升空后由于电池电压不足摔毁。无刷直流电机调速系统软件设计该无刷直流电机的调速系统应用于四旋翼飞行器上，电机的转速与飞行器的升力之间没有确定的关系，而且受电机参数、螺旋桨结构与尺寸影响很大，因此该电机调速系统对电机的调速精度要求不高。飞行姿态的控制则是通过机载IMU惯性测量单元与该调速系统结合形成负反馈系统完成的，调速系统控制器通过I²C总线与飞行控制器通信，接收PWM占空比信号值。飞行姿态的调整在本文不做研究，因此该调速电路只要实现开环调速即可满足性能要求。该系统软件流程图如下图所示电机启动程序设计改直流无刷电机调速系统的驱动采用软件启动方式。直流无刷电机在静止或低速运行的时候非导通相反电动势为零或者极低，不利于测量，难以实现电机的自启动。本设计采用三段式启动方法：首先给AB相通较低电压较长时间实现电机转子的预定位，其次给估测的换相时间换相逐步提高电压缩短通电时间，最后检测反电动势过零点信号是否正常，正常后转入无刷直流电机运行状态。期间监测系统总电流值，若超过20A则产生中断信号并关断所有MOS管，启动失败，重新启动。电机调速控制程序当电机自启动以后，则进入无刷直流电机无传感器状态。选择相应的未导通相，设置模拟比较器相应的输入通道，打开比较器中断，进行反电动势检测，并且记录中断响应时刻，计算相邻两次转相时间差，计算换相延迟30°电角度需要的时间，等待换相。电机速度的调整通过PWM信号的占空比来进行调节。电机保护程序设计为了防止电机堵转、控制信号故障、硬件驱动电路故障引起的电流过大烧毁电机设计了保护程序。首先系统上电时会检测系统电池电压是否在额定范围内，如果电池电压低于10V，则关闭所有MOS管，禁止启动飞行。若电池电压正常则进行MOS管短路检测，首先全部关断所有MOS管，检测系统漏电流是否在安全范围内，然后依次导通每个MOS管，关闭其他MOS管，检测系统电流如果远大于系统漏电流则表明有MOS管被击穿，停止启动。如果MOS管自检全部通过则进入正常启动程序。正常工作中监测系统总电流，弱电刘超过20A则进入保护状态，产生中断信号并关断所有MOS管。阶段工作目标和内容（每2月为一个阶