智-能六通遥控直升机的研究与设计-本科毕业设计

PAGEPAGE2智能六通遥控直升机的研究与设计所属领域:机械与控制摘要:随着经济的发展和人们的生活水平的提高,越多的人想接触价格昂贵且控制难度高的遥控直升机。该遥控直升飞机所能实现的动作除了三、四通的动作之外还可实现翻、滚、自旋、筋斗、倒飞（主旋翼向下）等高难度动作,同时还运用了许多新技术。如多种控制模式,有新手模式、普通模式和3D模式；当切换到新手模式,直升机就可以自动完成一项特技动作,该模式是为初级航模爱好者所设计采用三轴陀螺仪的电子自动控制系统,使直升机在没有人工操作时都可以在空中实现保持特定姿态,能够大幅提高遥控直升机的稳定性能,获得更佳的飞行效果和操作体验；新采用的2.4G无线通信技术和跳频技术,信号采集更迅速使控制更准确、飞行更安全。另外,本设计大大缩小了六通直升机的体积,使直升机能够在市内操控,降低了飞机的危险程度。关键词:三轴陀螺仪2.4G无线通信技术和跳频技术新手模式普通模式3D模式

目录一、绪论 31.课题的研究背景及意义 32.项目研究内容和拟解决的关键问题 4二、硬件系统构成 41.机器人实物图 42.硬件体系结构 53.决策系统 64.传感器系统 74.1.机器人主要红外传感器来检测位置。 74.2.红外测距模块软件设计 75.运动控制系统 8三、机器人平台的软件系统 91.机器人体系结构概述 91.1.慎思式的体系结构 91.2.基于行为的体系结构 101.3.混合式体系结构 102.移动机器人平台监控系统体系结构 113..运动控制系统的研制 133.1.调速功能 133.2.正反向控制功能 133.3.车体转向控制 133.4.过流、过压、欠压保护功能 133.5.测速功能 133.6.通讯功能 13四、机器人平台运动控制系统 141.运动控制模块 141.1.驱动电机 141.2.电机舵机模块电路 142.操作员控制器的研制 152.1.远程监视接口 152.2.运动控制接口 162.3.地图导航接口 16五、实验 171.实验目的 172.实验场地 173.实验内容 174.实验结果 17六、总结和展望 171..本文所做的工作 172.今后需要进一步开展的工作 18七、参考文献 18一、绪论课题的研究背景及意义随着经济的发展和人们的生活水平的提高,越多的人想接触价格昂贵且控制难度低的遥控直升机。本文所提的智能迷你六通遥控直升飞机所能实现的动作除了三、四通的动作之外还可实现翻、滚、自旋、筋斗、倒飞（主旋翼向下）等高难度动作,故迷你六通遥控直升飞机对操控者的要求更加高。为了无论是新手还是老手都能很轻松的操控迷你六通遥控直升飞机完成各种高难度动作,故本文提出研究与设计智能迷你六通遥控直升飞机。另外,本设计大大缩小了六通直升机的体积,使直升机能够在市内操控,降低了飞机的危险程度。项目研究内容和拟解决的关键问题项目研究内容:（1）多种控制模式,有新手模式、普通模式和3D模式。所谓新手模式,就是只要拨一个开关,直升机就可以自动完成一项特技动作。使该直升机功能多样化、操作简单化。玩家可以在该模式下方便、快捷的做出各种专业航模飞行动作,如包加契夫眼镜蛇、猎鹰、隆许瓦克等特技高难度飞行动作,获得完美的操作体验。（2）采用三轴陀螺仪的电子自动控制系统,使直升机在没有人工操作时都可以在空中实现保持特定姿态,能够大幅提高遥控直升机的稳定性能,获得更佳的飞行效果和操作体验。（3）2.4G无线通信技术和跳频技术,信号采集更迅速、控制更准确、飞行更安全。拟解决的关键问题:(1) 直升机如何自动完成一项特技动作。对照直升机不同特技动作,直升机只要接收遥控器发出不同特技的信号,直升机都能够自动完成动作,完全不需要人工操控。(2) 如何将三轴陀螺仪与直升机平衡姿态的调整,通过陀螺仪捕获直升机的飞行姿态,调整舵机的角度,从而改变直升机主旋翼的螺距,使直升机保持平衡,形成一个自动控制系统。(3) 如何将遥控器所有功能的信号通过2.4G无线通信技术准确无误的发送到直升机。(4) 直升机的总螺距与周期螺距的如何控制与调整,使得直升机保持水平、垂直、俯仰、倒飞、斜飞、偏航以及滚动。二、硬件系统构成智能六通直升机实物图图1工业探测机器人实物图工业探测机器人平台电子系统硬件设计的基本原则是:(1)模块化。由于工业探测机器人功能的复杂性,为了提高系统的可靠性和增强系统的扩展性能,系统采用模块化的结构,即系统由若干功能独立的模块组成,各模块协作完成系统的功能。由于各模块功能单一、复杂性低、实现容易,且通过增减模块或者修改模块的功能来改变系统的功能,可以提高系统的可靠性和扩展性。(2)硬件功能的局部自主。各功能模块一般都是由独立的嵌入式PC机、高性能的单片机或者DSP实现信号处理、控制计算或者控制输出等工作,各部分功能相对独立,不受其它功能模块的影响。(3)系统各功能部件之间的松散耦合。系统内部各功能模块之间的连接采用串行通信方式,这样硬件之间的联系最少。硬件体系结构图2硬件系统结构图工业探测机器人硬件系统中包括四个子系统:感知系统、通信系统、运动系统、决策系统。作为一个自主决策机器人,感知系统是必不可少的。本机器人采用灰度、红外,超声波等多种传感器技术。利用计算机模糊算法最大程度上地获取场地信息。为机器人自主决策提供准确可靠的信息。作为一个探测机器人,感知系统是必不可少的。本机器人身上装有图像采集、温度测量、气体采集、测距、声音采集等传感器,共同构成感应反馈系统。图像采集主要对机器人前面的方向进行采集数据,然后传输到控制系统。进行处理实验表明机器人能在碎石、草地等崎岖地面行驶；能利用自身携带的摄像头对未知环境或者危险区域的地形、环境参数进行探查并回传数据、图像；满足危险品探测等一般任务的需求；温度传感器主要对环境温度的探测,感知环境的温度。进行实验表明态度机器人在高温下还能正常的工作,能很好地对未知的危险情况进行探测,满足危险品在探测的要求。气体测量主要对可燃性和有毒气体的探测,气体传感器主要对可燃性气体甲烷有检测功能和有毒气体一氧化碳进行检测,当浓度达到一定的含量就会报警。这样对于在工业应用上,像煤矿的探测有很好的效果,这样基本能对矿井下面的有毒气体和可燃性气体进行检测,达到预防危险事故的发生。测距作用主要协助图像处理,感知前面物体的位置距离,能让机器人更好地处理,正确地避开物体,对物体的具体位置有正确的感知效果。声音采集主要是提出一种基于现场可编程门阵列的异常声音探测系统,通过对采集的现场声音信号进行时域和频域分析并提取异常声音的特征,将异常声音从正常声音中分离出来进行识别。当发生异常声音后能发出控制指令进行报警保护或相关的过程控制,实现在工农业的安全防护、声目标识别、机器智能等领域的预定声音事件探测。运动控制系统包括直流电机、舵机、控制器,测速系统,驱动轮缓冲系统。本机器人使用本机器人使用四个H桥电路来控制四个直流电机直流电机,四个H桥采用MOS管进行驱动来控制四个空心杯直流电机直流电机,10个PWM舵机,这样也就解决了命令发送和执行的时间同步的问题。机器人有四个弹簧缓冲器,它使机器人走得更加平稳,也保证了超声波测量更加准确。测速系统准确地将电机速度返回给CPU,利用数字PID控制算法实现对电机的精确控制。通信模块,通过网络实现机器人与操作员控制器的通信。这是一个的比较主要的模块,这个模块主要使机器人所探测的信息及时地反馈给外面,对一些情况进行更好地控制,使我们能更好地了解到机器人探测到的环境状况。决策系统:控制中心根据外部各变量做出相应的决策。决策系统控制中心根据外部各变量做出相应的决策。其控制中心选用MultiFLEX控制卡,该控制卡使用AVRATMega128微控制器作为处理器,具有4路电机接口,RS-232串口,7路模拟输入接口AD0-AD6,12路PWM舵机控制PW0~PW11,16路数字I/OIO0-IO15。图3主控板传感器系统机器人主要红外传感器来检测位置。红外传感器向目标发送一个已校准的聚焦的红外LED,反射光被透镜采集,并投影到一个位置敏感器件PSD或线性摄像机上,会获得一个偏移值￡,利用三角关系,在知道了发射角度a,偏移距三,中心距Z以及滤镜的焦距f以后,传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来。它与单片机的接口很简单,只需将输出的电压信号直接与单片机的AD转换模块进行连接即可,简化了电路设计。红外测距模块也设计成有8路红外传感器测距通道。图4光学三角法原理图红外测距模块软件设计通过C8051F330内部的10位SARADC将电压信号转换成距离数据,最后经SMBUS总线与数据融合模块进行通信。软件设计中有一个定时器0中断。定时器0中断进行A,D采样。图5传感器实物图运动控制系统本机器人用四个FAULHABER2342电机作为主要推进动力。该电机功率大,输出扭矩较大。其结构为空心杯直流电机,运转平稳。配套的减速器也具有良好的机械性能,非常适合作为轮子。本机器人使用四个H桥电路来控制四个直流电机直流电机,四个H桥采用MOS管进行驱动。以Mega128AVR单片机作为主要控制核心并通过通串口与主机通信。主控板带有4路的大电流电机驱动电路,12路舵机控制端口,8路AD转换电路。本机器人用四个FAULHABER2342空心杯电机作为主要推进动力。该电机功率大,输出扭矩较大,运转平稳。配套的减速器也具有良好的机械性能,非常适合作为轮子。Mega128AVR单片机作为主要控制核心,产生控制信号,从而达到快速平稳的运动控制。空心杯直流电机有以下特点:1.由于没有铁芯,极大地降低了铁损,其效率可达到90%以上。2.制动响应迅速极快:机械时间常数可以达到10毫秒以内；3.可靠的运行稳定性:自适应能力强,自身转速波动能控制在2%以内；4、电磁干扰少:采用高品质换向器结构,换向火花小,免去抗干扰装置；5、能量密度大：与同等功率的铁芯电机相比,其重量、体积减轻1/3-1/2；转速-电压、转速-转矩、转矩-电流等对应参数都呈现标准的线性关系。图6是一个典型的有刷空心杯电机的坡面示意图。图6有刷空心杯电机的剖面示意图1端面法兰2永磁体定子3外壳（磁回路）4转子轴5转子绕组6-7换向器8石墨电刷9稀有金属电刷10外壳11电路连接端子12滚珠轴承13轴承同时,本机器人使用的8个舵机是大扭矩、金属输出轴、输出轴具有双滚珠轴承支撑的高品质舵机,以配合支持完成各项动作。其主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。图7控制信号为周期是20ms的脉宽位置调制（PPM）信号,其中脉冲宽度通常从0.5ms-2.5ms（也有少量型号的脉冲宽度范围不一样,如:1.25ms~1.75ms）,相对应输出轴的位置为0－180度,呈线性变化。即给控制引脚提供一定的脉宽（TTL电平,0V/5V）,它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上,无论外界转矩怎样改变,直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号,它才会改变输出角度到新的对应的位置上。三、智能六通遥控直升机的软件系统智能六通直升机体系结构概述一个智能控制系统可以用原始抽象的概念,来表达物理资源、技能、行为和任务,一个智能机器人系统的软件体系结构是一组组织规则和基本部件,它能够帮助设计人员管理构造具有智能行为的机器人控制软件的复杂性。体系结构指定一个系统分解方法,它将系统划分为简单的部件,并且提供将这些简单部件组合起来形成整个控制系统的集成机制,下面主要介绍一些体系结构,按照其选用的系统部件及其部件之间的连接方式对其分类。自动特技动作模式的体系结构自动特技动作模式下,控制芯片在算法上综合出飞机的姿态,在空中指定一条航线,以引导直升机自动完成这条航线。运作的基础上设计命令时,空气中的姿态综合系统是搜集从MPU-6050传感器单位实时传回来的数据,发送命令和指令来驱动伺服电机和两个电机来改变直升机的航线。程序员设计一系列的特技动作程序,只要玩家在电脑在线升级直升机的程序,则可以做出很多不一样的特技动作。比如,按下按键a,直升机就做自动悬停动作,玩家把遥控扔掉,直升机能稳定在一个高度“静止不动”。另外,当直升机飞出遥控范围时,直接由自主返回模块控制直升机,使其调头返回到可控范围,当飞机接收到信号后重新切换到原有模式。电池电压正常是直升机正常飞行的必要条件。如电压过低,MCU的程序也不能正常工作。所以采用定时器中断技术对电源电压保持不间断的监控。当检测到电池电压降低到某一数值时,3路由自主降落模块控制直升机,调整姿态,并以固定的速率下降直至着陆。手动控制模式的体系结构在手动控制模式下,直升机成为手动无线电遥控,智能六通遥控直升机就通过2.4G无线遥控器发送数据指令。主要有油门通道,偏航通道,旋转通道,俯仰通道,3D模式、新手模式、普通模式转换通道等等。操作员可以控制直升机以不同速度前进、后退和转向。智能六通遥控直升机监控系统体系结构到目前为止,尚未出现通用的体系结构。基于行为的分解方法能够帮助机器人得到一定的自主能力,而这种能力对于传统的“感知——计划——动作”模式来说是困难的。但是,基于行为的系统无法明确表达整个事务的完成目标,因此我们将显模型跟踪控制的思想与经典的PID控制等技术有效结合,设计出一种速度和位置控制紧密耦合的工程实现方案以提高整体的控制效果。智能六通直升机体系结构直接体现系统的开放性、可扩展性、鲁棒性、交互性、以及自主能力,是智能六通直升机设计中最关键的环节之一。它由I/0层、功能层。它既能够满足智能六通直升机所需要的对环境的实时响应能力,又能够将复杂的软件功能通过层次化的方法进行功能分散,利用不同的处理器进行处理,降低软件实现的复杂性,提高了系统的可靠性。2.1是与环境直接接触的最底层。由传感器信号采集处理模块和电机舵机控制模块组成,传感器信号采集处理模块主要实现直升机飞行姿态、飞行距离等的采集、处理；电机舵机控制模块则根据上层要求的智能六通直升机运动方向、运动距离、运行速度,并结合直升机当前的姿态,驱动电机和舵机的转动。2．2是由高度控制、速度控制、俯仰控制、偏航控制、旋绕控制统称为飞行控制模块,结合传感器所采集的数据,利用基于参数寻优的模糊自适应PID控制器,分别对俯仰通道、航向通道、总距通道实行增稳控制。利用姿态及速度反馈,即俯仰角及俯仰角速率,偏航角及偏航角速率,Z轴方向的速度及加速度的反馈,并设计增稳控制律以增强直升机的飞行稳定性。在此体系结构中,采用三轴陀螺仪加三轴加速度计的电子自动控制系统,通过陀螺仪与加速度计捕获直升机的飞行姿态,通过调整三路私服舵机与两个电机调整直升机的飞行姿态,从而改变直升机主旋翼的总螺距和周期螺距,使直升机保持平衡,形成一个自动控制系统。使直升机在没有人工操作时都可以在空中实现保持特定姿态,能够大幅提高遥控直升机的稳定性能,获得更佳的飞行效果和操作体验。当直升机飞出遥控范围时,直接由自主返回模块控制直升机,使其调头返回到可控范围,当飞机接收到信号后重新切换到原有模式。这个体系还具有下列优点:（1）采用定时器中断技术对电源电压保持不间断的监控。当检测到电池电压降低到某一数值时,3路由自主降落模块控制直升机,调整姿态,并以固定的速率下降直至着陆。（2）使用2.4G无线通信技术和跳频技术,信号采集更迅速、控制更准确、飞行更安全。将遥控器所有功能的信号通过2.4G无线通信技术准确无误的发送到直升机。.运动控制系统的研制舵机的控制采用标准航模330Hz频率的PWM控制。舵机指令来源2.4G无线模块发送遥控器的数据指令。电机的控制STM32控制芯片输出周期为2KHz的PWM到两个电机。主电机采用一个功率放大器将单片机的驱动加大。飞行姿态采集功能采用三轴陀螺仪加三轴加速度计的电子自动控制系统,通过陀螺仪与加速度计捕获直升机的飞行姿态。在使用传统的加速度传感器获取数据的基础上,使用卡尔曼滤波的方法,将加速度传感器数据和陀螺仪数据进行融合,该算法能避免动态噪声对加速度传感器数据的影响,提高四旋翼飞行器姿态测量的精度。自动控制通过陀螺仪与加速度计捕获直升机的飞行姿态,通过调整三路私服舵机与两个电机调整直升机的飞行姿态,从而改变直升机主旋翼的总螺距和周期螺距,使直升机保持平衡,形成一个自动控制系统。使直升机在没有人工操作时都可以在空中实现保持特定姿态,能够大幅提高遥控直升机的稳定性能,获得更佳的飞行效果和操作体验。当直升机飞出遥控范围时,直接由自主返回模块控制直升机,使其调头返回到可控范围,当飞机接收到信号后重新切换到原有模式。通讯功能.4G无线通信技术和跳频技术,信号采集更迅速、控制更准确、飞行更安全。将遥控器所有功能的信号通过2.4G无线通信技术准确无误的发送到直升机。四、机器人平台运动控制系统运动控制模块驱动电机控制电机作为自动控制系统的重要元件,其性能好坏将直接影响到整个控制系统的工性能,如果控制电机的性能不佳或使用不当,整个控制系统的性能就难以提高。智能六通直升机控制系统中对控制电机处理要求其体积小、重量轻、耗电少,另外还要求其有高可靠性、高精度和快速响应等特点,主要集中在以下几个方面:(1)高可靠性。控制电机的可靠性对保证任何自动控制系统的正常工作极为重要,一旦发生故障,作为直升机重要的驱动元件短时间内将不能得到维修。(2)高精度。直升机系统发展越高级,对移动控制的精度要求越高。从广义上而言,伺服电机特性的线性度和失灵区,步进电机的步距精度等会直接影响到控制系统的精度。(3)启动、停止和反向均能连续有效的进行,具有良好的响应特性。(4)正转反转的特性相同,且运行特性稳定。(5)良好的抗干扰能力、体积小、重量轻。电机舵机模块电路STM32F103C8T6控制芯片输出周期为2KHz的PWM到两个电机,输出标准航模330Hz频率的PWM控制三个舵机。智能六通遥控直升机的自动控制模块智能六通遥控直升机具有自动控制特技模式和手动控制两种不同的控制模式,针对不同水平的玩家进行切换。下面针对该直升机的不同模式,分析智能六通遥控直升机的操作员控制器的功能,包括以下几部分:传感器部分直升机采用三轴陀螺仪加三轴加速度计的电子自动控制系统,通过陀螺仪与加速度计捕获直升机的飞行姿态,在使用传统的加速度传感器获取数据的基础上,使用卡尔曼滤波的方法,将加速度传感器数据和陀螺仪数据进行融合,避免动态噪声对加速度传感器数据的影响,提高四旋翼飞行器姿态测量的精度。通过调整三路私服舵机与两个电机调整直升机的飞行姿态,从而改变直升机主旋翼的总螺距和周期螺距,使直升机保持平衡,形成一个自动控制系统。新手模式中的特效动作在新手模式,对照直升机不同特技动作,直升机只要接收遥控器发出不同特技的信号,直升机都能够自动完成动作,完全不需要人工操控。只要升级程序员的不同程序,则可以做更多不同的特技动作。特殊情况（1）当检测到电池电压降低到某一数值时,3路由自主降落模块控制直升机,调整姿态,并以固定的速率下降直至着陆。（2）当直升机飞出遥控范围时,直接由自主返回模块控制直升机,使其调头返回到可控范围,当飞机接收到信号后重新切换到原有模式。五、实验实验目的测试工业探测机器人平台的运动控制系统,录制机器人运动视频。利用GPS定位系统测量移动机器人经过区域的经纬度,制成机器人的运动轨迹,在特定位置测量环境的温湿度及探测危险品(如有毒气体浓度)。实验场地实验内容(1)运动实验:利用操作员控制器控制危险品探测移动机器人在各种地形上行驶,让机器人执行前进、后退、左转、右转、减速、加速和爬坡等指令。(2)危险品探测实验：控制工业探测机器人在某区域探测,沿着探测路径记录下路径点的经纬度、温湿度、以及危险气体浓度值等,绘制出运动轨迹以及对应的温湿度和危险气体浓度值。实验结果实验经过表明,机器人能够在泥路、草地和有各种障碍物的街道等地方平稳行驶；具有爬一定坡度坡道的能力且能跨越一定宽度的沟渠。而且能够有效地探测危险品如有毒气体。六、总结和展望.本文所做的工作本文重点开展工业探测机器人平台硬件系统的构建、运动控制系统的研制、传感器系统的研制、人机交互方式下进行遥操作的操作员控制器的研制四个方面的内容,本文的主要贡献如下:(1)研制了一个层次式的、具有模块化、网络化、局部智能等特点的危险品探测移动机器人电子系统硬件。(2)研制了移动机器人运动控制系统,按照危险品探测移动机器人的总体控制方案和模块化设计的思路,设计了运动控制模块及转速控制模块。采用经典PID算法和模糊控制相结合的模糊PID控制方案实现了移动机器人运动速度的自动控制。(3)研制了传感器系统,包括测距系统、倾斜传感器模块、GPS定位系统等。测距系统由超声测距模块、红外测距模块和数据融合模块组成,利用自适应加权融合算法实现多传感器信息融合,很好地满足移动机器人自主导航时的避障要求。(4)研制了一个用于人机交互的操作员控制器,由操作员控制器模拟命令输入面板和一台笔记本电脑组成,具有命令输入直观、操作方便、交互性强等优点。(5)进行了危险品探测移动机器人的相关实验。利用操作员控制器控制机器人在草地上前进、倒退、转弯、越障等动作；利用自身携带的常规环境传感器、摄像头等对未知环境或者危险区域的地形、环境参数进行探查并回传数据、图像,能在方圆100m左右的范围内的室外或者室内环境中可靠传输音频、视频信号和数据。今后需要进一步开展的工作危险品探测移动机器人是一个复杂的大系统,涉及到机械、电子、计算机、通信、图像处理、人工智能、智能控制等多个学科,且由于相关的许多理论和技术仍然处于研究和探索阶段,本文所做的工作也只是这个大系统中的小部分,因此,结合本文的研究内容,今后需要进一步开展的研究工作有:(1)进一步完善平台的硬件设计,完善环境感知系统,增加危险品探测模块。(2)进一步研究里程计、姿态传感器、惯性器件、GPS等信息融合的定位方法,研究利用超声波传感器、红外测距传感器数据融合的环境建模。(3)进一步研究和改进无线视频传输系统,获得实时性、可靠性、图像质量等各方面的最佳QOS。(4)进一步研究人——机器人的交互技术,完善操作员控制器在接口的安全性、远程感知、操作控制、命令输入、机器人所处场景和状态再现等方面的性能和效果。七、参考文献[1]R.WelchandGEdmonds.ApplyingRoboticstoHAZMAT[C].ProceedingsoftheFonhNationalTecImologyTransferConference—NASATeclmology2003,Anaheim,CA,December1993,Vol.2,pp.279—287.[2]H.W:Stone,GEdmonds,HAZBOT:Ahazardousmaterialsemergencyresponsemobilerobot[C],Proceedingofthe1992IEEEIntemationalConferenceonRoboticsandAutomation,Nice,France,May1992,pp.67-73.[3]MobileRobotControl/Multi-RobotsControl.[4]R.A.Brooks.Arobustlayeredcontrolsystemforamobilerobot.IEEEJournalof.RoboticsandAutomation,Vol.2,No.1,March1986,pp.14-23.[5]RobenToddPack,IMA:Theintelligentmacllinearchitecture[D],Ph．DThesis,GraduateSchoolofⅥmderbiltUniversity,1998.[6]DavidGarlan,MaryShaw.Anintrodu