四轴飞行器控制系统研究

四轴飞行器控制系统研究学生：李正东学号：20091151037专业：09电子信息工程（1）班指导教师：杨为民谢时俭一、研究的背景及意义飞行器可用于民用事业、满足国防需求，也可以开发和利用航空资源，国内外对飞行器都进行了大量的研究。一般的，对飞行器的研究主要分为三个类型，固定翼机、旋翼机和扑翼机。无人飞行器（UAV）自主飞行的技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如军事（侦察目标捕获与营救任务等），科学数据采集（地质、林业勘探、农业病虫害防治等），视频监控（航拍FPV、影视制作等）等。利用无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。一、研究的背景及意义四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，它小巧的体积可以适用于很多的用途。四轴飞行器在结构上较单翼直升机相比，结构紧凑、能产生更大的升力，同时可以通过反扭矩作用使飞行器平衡，不需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者的要求不高等特点，这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。二、本论文研究的目的在无人飞行器自主飞行技术当中，飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心和最关键的问题之一。传统的控制策略是在飞行器系统的某个特定作用点上首先将系统模型线性化，然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力相对偏弱。相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法二、本论文研究的目的小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，飞行机动能力灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有小区域范围内起飞、盘旋，飞行、着陆的能力。同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。二、本论文研究的目的本文通过实际制作一个小型的四轴飞行器，用以验证控制算法的可行性。围绕小型四旋翼飞行器控制系统研究这一主题，在建立的飞行器动力学模型的基础上，设计了基于经典PID和互补滤波算法的四旋翼飞行器自动悬停控制系统，并通过在验证机上进行验证。商用Drangonflyer

外观EADSQuattrocopter

外观X-4Flyers外观康奈尔大学设计的四旋翼飞行器外观瑞士联邦工学院设计的四旋翼飞行器外观不列颠哥伦比亚大学设计的四旋翼飞行器及其控制系统外观三、系统组成四轴飞行器系统主要由以下几部分组成，他们分别是：（1）旋翼驱动部分（2）姿态探测部分（3）超声波测距部分（4）遥控收发部分（5）电源部分（6）单片机控制部分（7）飞行器机架部分1、系统框图单片机控制部分旋翼驱动部分姿态探测部分超声波测距部分电源部分遥控收发部分机架部分2、实物图3、

四轴飞行器的飞行原理简介四轴飞行器有四个电机呈X字形排列，驱动四片桨旋转产生推力；四个电机轴距几何中心的距离相等，当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡，四轴不会向任何一个方向倾转；而四个电机一对正转，一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证了四轴航向的稳定。四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动。当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停，其他方式的运动原理与以上过程类似.四轴飞行原理虽然简单，但实现起来还需很多工作要做。四、系统硬件设计本系统采用siliconlabs公司的C8051f系列单片机为核心，搭载多个传感器，并且尽量采用贴片封装元器件，以减小控制板的重量。1、旋翼驱动部分电调全称电子调速器，英文electronicspeedcontroller,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器。它根据控制信号调节电动机的转速。它的连接，一般情况下是这样的：1、电调的电源输入线与电池连接；2、电调的输出线（有刷两根、无刷三根）与电机连接；3、电调的信号线与接收机连接。电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有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。电调实物无刷电机正反螺旋浆对外接口名称说明+11.1V电源+5V电源输出SIGNAL控制信号PWMGND地线2、姿态探测部分采用传感器为磁阻传感器HMC5883L、6轴运动处理传感器MPU6050、数字气压传感器BMP085，通过以上传感器对飞行器的实时姿态信息进行采集。所有传感器都采用IIC总线通讯，占用处理器端口资源少，通讯接口简单磁阻传感器HMC5883L采用霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器.简易的I2C系列总线接口。HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L采用霍尼韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，该技术的优点是其他磁传感器技术所无法企及。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器带有的对于正交轴低敏感行的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从毫高斯到8高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器HMC5883L的应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。磁阻传感器HMC5883L磁阻传感器HMC5883L

6轴运动处理传感器MPU6050MPU6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP:DigitalMotionProcessor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(EulerAngleforma)的融合演算数据。6轴运动处理传感器MPU60506轴运动处理传感器MPU6050数字气压传感器BMP085MP085为新一代高精度气压传感器。BMP085的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于手机、PDA、GPS导航器件以及户外装备上。BMP085在低的高度噪声（merely0.25）快速转换的情况下，表现很好。BMP085是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性。Bosch公司的气压传感器（在自动控制应用领域）是世界市场上的领军，基于200百万气压传感器这制造经验，BMP085继续了新一代的微型气压传感器数字气压传感器BMP085数字气压传感器BMP0852、对外接口

名称说明+3.3V电源SDA信号线SCL时钟线GND地线3、HC-SR04超声波测距模块HC-SR04超声波测距模块可提供2cm~400cm非接触式的距离感测功能，测距精度达到3mm。只需要在Trig管脚输入一个10US以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，通过Echo管脚输出。根据Echo管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值。即距离值为：(高电平时间*340m/s)/2。

3、HC-SR04超声波测距模块3、对外接口

名称说明+5V电源GND地TRIG触发信号ECHO回波信号4、遥控收发部分四轴飞行器的运动可以进行人的远程遥控，就要求对它的各种状态信息进行采集后，通过无线数传，发送到控制台，并且控制台发送相应的控制指令控制四轴飞行器的运动。NRF24L01特性采用2.4GHz无线模块NRF24L01，它工作在2.4G全球开放ISM频段，最大0dBm发射功率，免许可证使用支持六路通道的数据接收低工作电压：1.9～3.6V低电压工作高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象（软件设置1Mbps或者2Mbps的空中传输速率）多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要超小型：内置2.4GHz天线，体积小巧，15x29mm（包括天线）低功耗：当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。低应用成本：NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。便于开发：由于链路层完全集成在模块上，非常便于开发。自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制自动存储未收到应答信号的数据包自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号，须另行编程载波检测—固定频率检测内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制数据包传输错误计数器及载波检测功能可用于跳频设置可同时设置六路接收通道地址，可有选择性的打开接收通道标准插针Dip2.54MM间距接口，便于嵌入式应用。NRF24L01无线模块NRF24L01原理图4、对外接口名称说明+3.3V模块电源输入GND接地CENRF24L01模式设置CSNSPI片选SCKSPI时钟MISOSPI主机输入从机输出端MOSISPI主机输出从机输入端IRQ可屏蔽中断5、电源部分电源对于电子设备来说是非常重要的，犹如人的心脏一样，而一个好的电源是确保系统持续正常工作的有力保证。四轴飞行系统是由一块11.1V锂离子电池提供电源，但系统各部分工作电压各不相同，为此需要设计一个能够提供多种输出电压和电流的电路5、电源部分5、对外接口名称说明+3.3V传感器用+5V单片机用+11.1V旋翼驱动GND地线6、单片机控制部分C8051F单片机具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点本文从四旋翼飞行器的机型特点和实际需要出发，结合C8051F单片机的优越性能，以C8051F340单片机为计算控制单元，设计了四旋翼微型飞行器飞行控制系统的硬件C8051F340单片机特性模拟外设（包括10位ADC、两个比较器、内部电压基准、上电复位/掉电检测器）USB控制器在片上调试高速8051微控制器内核数字外设（40/25个端口I/O，均耐5V电压，大灌电流，硬件增强型SPI，SMBus

和1或2个增强型UART串口，4个通用16位计数器/定时器，16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块，外部存储器接口（EMIF））时钟源（内部振荡器：0.25%的精度(时钟恢复被使能时)。支持所有USB和UART工作方式，外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟（1或2引脚方式），低频（80KHz）内部振荡器，可在运行中切换时钟源）这些外设的高度集成，为设计体积小、功耗低、性能好的单片机应用系统提供了方便，可降低系统的整体成本。C8051F340单片机开发板C8051F340单片机原理图6、对外接口端口名称I/O说明端口名称I/O说明P00P20P01P21P02P22P03P23P04P24P05P25P06P26P07P27P10P30P11P31P12P