《西工大航海学院测试技术讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西工大航海学院测试技术讲解（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目录摘要21. 引言32. 四轴飞行器32.1框架结构32.2运动原理42.2.1姿态测量原理42.2.2姿态控制原理52.3遥控接收技术72.3.1遥控器操作82.3.2PPM解码原理82.4 PID控制器93激光供能系统103.1概述103.2硬件结构103.2.1激光源103.2.2 光能接收转换模块（光伏电池）113.2.2.1 光伏电池概述113.2.2.2 光伏电池原理113.2.2.3 光伏电池适用范围123.2.2.3光伏电池选择123.2.2.4光伏电池的放置123.3可行性分析124. 跟随系统124.1水平定位134.1.1概述134.1.2 wifi定位原理144.2
2、高度定位144.3 空间位置的确定154.4 激光器的控制165. 前景分析16摘要本文针对“激光跟随四轴飞行器并对其供能”这一半开放课题进行论述，提出一个系统解决方案，并对该方案的可行性及应用前景进行简要分析。该系统主要由四轴飞行器、供能系统、跟踪系统等三部分构成，首先通过自控/遥控方式使四轴飞行器运行，然后通过定位系统对飞行器进行定位，跟随系统控制激光束移动，从而保持光斑准确落在飞行器的光电板上，进而通过供能系统将激光的能量转换为飞行器的运行能量。该方案可用于对飞行器的远程、应急供电。关键词：四轴飞行器，激光，供能，定位，跟踪1. 引言随着人类生活范围的不断扩大以及对自由翱翔天际的不断渴求
3、，飞行器的研究一直是科学家们孜孜不倦的方向，而四轴飞行器以其较高的安全性、稳定性、很强的负载能力和机动性，以及相对低廉的成本，正吸引着越来越多人的目光。而2014年暑期CCTV新闻30分和新闻联播节目均对用以航拍的四轴飞行器进行了大篇幅介绍，这也说明了四轴飞行器的使用价值和光明前景。本文针对四轴飞行器的广阔应用前景，对“四轴飞行器的激光控制和供能”这一课题提出一套解决方案，并进行相应分析。2. 四轴飞行器2.1框架结构四轴飞行器的结构如下图所示：机身：用于固定旋翼模块和控制模块，并可根据需求在上面放置电子调速器或电池。旋翼模块：该部分（图示1-4）分别固定在机身四个轴的末端，为飞行器提供全部动
4、力，包括电动机、正反螺旋桨及固定器件。飞行控制模块：该部分一般固定在飞行器的中心，是飞行器的“神经中枢”，负责控制飞行器的飞行姿态，一般包括控制器、遥控接收模块、信息采集模块等。这种机械结构使得四个轴上的电机、机翼处在同一水平面，中心放置控制模块，使得整个飞行器重心稳定，2.2运动原理四轴飞行器属于旋翼类飞行器，而旋翼类飞行器主要通过改变桨翼拉力的大小以及螺旋桨盘的方向来控制飞行器运动的。2.2.1姿态测量原理所谓姿态，是用来描述一个刚体的刚体坐标系和参考坐标系之间的角度位置关系，常见的有偏航角、俯仰角和滚转角。常见的姿态测量器件有角速度、加速度、磁力、气压，超声波传感器和GPS等等；目前姿态
5、研究中，较复杂的融合表示方法囊括了上述传感器数据，综合处理可以获得较准确的姿态定位；然而针对飞行器的应用，多种传感器数据的融合受到嵌入式平台运算能力的限制，因此需要选择一种廉价轻量的惯性测量单元来输出载体的姿态信息；设计中采用加速度传感器和角速度传感器（陀螺仪）两种传感器器件来做姿态测量。2.2.1.1加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，加速力是物体在加速过程中作用在物体上的力，比如地球引力，即重力；通过测量重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。在三维空间中，利用传感器与重力的关系，可以得到三个姿态角、；如图所示：是X轴相对于地面的角度、是Y轴相对于地面的
6、角度、是Z轴相对于重力的夹角。2.2.1.2角速度传感器（陀螺仪）陀螺仪输出得到的是载体的角速度，是一个间接的测量仪器，需要对角速度在时间域进行积分才能得到角度。设角速度为，角速度传感器的采样间隔为t，则得到的角度公式表示为：=0+0tdt式中：为旋转后的绝对角度 0为旋转前的绝对角度陀螺仪的多次积分引入的误差在实际使用中是不容忽视的，误差主要来源于两方面：一是积分时间即采样间隔，间隔越短计算出的角度越精准；另一方面是陀螺仪本身的误差，需要校准之后才能使用。且误差随时间的增加不断累积，多次积分之后将偏离真实的角度；因此，陀螺仪只是在短时间内具有较大的参考价值。2.2.2姿态控制原理控制飞行器四
7、个桨翼产生的升力和力矩即可产生各种飞行姿态，实现各种飞行任务；具体的运动有：垂直运动图 （a）中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量 时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。俯仰运动图 （b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变
8、引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1 与旋翼3转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下 降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。滚转运动与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。偏航运动四 旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中 的两个正转，两个反
9、转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋 翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的 转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发会垂直运动。前后运动要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图（e）中，增加电机3转速
10、，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图（b）的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图（b）图（c）中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。侧向运动在图（f）中，由于结构对称，所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样。2.3遥控接收技术课题选择常用的2.4G通信技术控制飞行器，操作遥控器发射出油门、副翼(横滚)、升降(俯仰)及方向(偏航)信号，而接收器则解码出上述信号，通过PPM电平输出至飞行控制器。下面对遥控器操作
11、和接收解码原理进行简单分析。2.3.1遥控器操作遥控器操作主要包括油门、副翼、升降及方向的控制，当前市场上拥有的遥控器方案主流的有“美国手”和“日本手”布局，由油门控制所在的位置决定左手和右手方案，另外还包括适合中国人操作习惯而改装的“中国手”版本，其具体布局如下表所示。日本手美国手中国手左右左右左右升降舵方向舵油门副翼油门方向舵升降舵副翼升降舵副翼油门方向舵2.3.2PPM解码原理PPM是遥控模型中比较通用的一种信号格式，是接收机收到遥控器发出的4通道信息后，输出给飞行控制模块的编码信号，飞行控制部分对其进行解码即可得到各个通道的控制量。PPM原理是通过检测给定频率的PWM信号的占空比来获取
12、指令信号的，比如，信号频率为50Hz时，一个周期为20ms，每个信号脉宽02ms；1帧PPM信号长度为20ms，理论上最多可以有10个通道，但是同步脉冲也需要时间，模型遥控器最多9个通道。一个通道的2ms时间内，脉宽仅在12ms内变化，即脉宽1ms表示停转，脉宽2ms表示满量程运作，其间各点按比例换算：比如脉宽1.5ms表示50%的量程。2.4 PID控制器PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation）控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条
13、件，因而成为应用最为广泛的控制器。对本文来说，飞行控制部分解码出遥控信号或者采集到姿态传感器数据之后，随即将两者进行融合，根据融合的结果对姿态进行相应的调整，即通过PWM信号对电机进行控制，这时就需要设置合适的PID控制率来输出合适的控制量，以避免电机转速大幅度的变化而引起飞行器剧烈抖动36，使得四轴电机的旋转速度可以得到有效调节，确保飞行器稳定。上图所示是一个电机的调速系统原理图。图中将设定速度与实际转速y(t)进行比较，得到差值e(t)，将其通过PID控制器进行调整后，得到电压控制信号u(t)，再经过开关电路驱动电机改变其转速。早期的PID控制器通过硬件来实现，称为模拟PID控制器；后来随
14、着计算机进入控制领域，出现了数字式PID控制器。与模拟PID控制器相比，数字PID控制器灵活性较强，可以根据经验或者实验数据在线调整其控制参数，因此可以获得更好的控制效果。设计中将采用数字式PID控制器进行设计。3激光供能系统3.1概述激光供电系统是一种通过激光将电能传递到另一个位置的集成电源系统。激光供电系统能量转换过程大致为：首先其自带的激光二极管模块发出光能并传输到目的地（光电转换器），然后通过光电转换器将光能转换为电能，最后经过稳压后提供稳定的输出电压。激光供能系统具有耐高温，绝缘性能好，抗干扰能力很强，杜绝火花的优点。同时激光供能系统的输出噪声低，纹波小，有利于传感器稳定工作。因此，
15、在电力系统中，激光电源已经成为给多种传感器供电的先进稳定的解决方案。传统激光供电系统是利用光纤进行远距离能量传输的一种技术，由洛克希德马丁公司与美国激光动力公司共同研发。2012年7月完成了室内风洞充电测试，2013年LaserMotive公司宣布，其装备了世界首款激光充电系统的垂直起降飞机将进行首次飞行。该便携式激光充电系统名为“隐形塔”，可利用激光为任意多旋翼直升机通过光纤传送能量。其地面部分能源充足情况下，可实现飞机不间断飞行。然而，通过光纤的激光供能在一定程度上限制了飞行器充电时的灵活性，本文尝试利用无线激光供电系统为四轴飞行器进行供电。3.2硬件结构3.2.1激光源激光光源是一种利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源，是一种相干光源。自从1960年美国的T.H.梅曼制成红宝石激光器以来，各类激光光源的品种已达数百种，输出波长范围从短波紫外直到远红外。激光光源可 按其工作物质（也称激活物质）分为固体激光源（晶体和钕玻璃）、气体激光源（包括原子、离子、分子、准分子）、液体激光源（包括有机染料、无机液体、
