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1、学校统一编号:HLJ-B-学校名称：理工大学队长：学生：指导教师：时间：四旋翼自主飞行器摘要四旋翼的构造是一种比拟简单和直观化的稳定控制性飞行器。通过调节4个电机转速改变旋翼转速，改变升力的变化调整飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器的动力来源是无刷直流电机，因此针对该类无刷直流电机的调速系统对飞行器的性能起着决定性的作用。四旋翼的动力来源为无刷直流电机，采用单边pwm的控制方式实现电机的调速，采用三段式启动方式实现电机的软启动。用超声波传感器测距是四旋翼飞行器定高，采用ov7620摄像头循迹使飞行器从A区到B区。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程实现，模拟相应的飞
2、行姿态，实验结果表示四旋翼实现自主飞行、自主悬停控制。关键词：四旋翼飞行器；无刷直流电机；PWMabstract The structure of the four rotor is a relatively simple and intuitive stability controlling aircraft. By adjusting the four motor speed change the rotor speed, the change of lift change aircraft attitude and position. Four rotor aircraft power
3、source is brushless dc motor, so for this class of brushless dc motor speed control system plays a decisive role on the performance of the aircraft. Four rotor power source for the brushless dc motor, motor speed control is realized by using unilateral PWM control mode, the three-step startup mode w
4、as adopted to realize motor soft start. Four rotor aircraft with ultrasonic sensor range is set high, use ov7620 camera tracking make aircraft from area A to area B. Through the study of four rotor working mode and the control parameters, get the corresponding control algorithm, and then simulate th
5、e flight attitude, programming the results said four rotor to realize autonomous flight, hovering control independently.Key words: four rotor aircraft; Brushless dc motor; PWM目录四旋翼自主飞行器1摘要1一、设计任务21.1 任务21.2.1 根本要求21.2.2 发挥局部2二、方案论证21、控制器模块方案2三、理论分析与计算21、系统硬件设计与实现21.1陀螺仪和加速度传感器21.2控制系统21.3超声波传感器21.4摄
6、像头ov762022、软件系统设计22、1PWM脉冲宽度调制22、2数学PID控制算法2四、测试结果与误差分析21、飞行测试22、无刷电机测试2五、结论、心得体会2参考文献2附录：2附录1 ：元器件明细表2附录2：仪器设备清单2附录3：程序清单2一、设计任务1.1 任务四旋翼自主飞行器下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。飞行区域俯视图和立体图分别如图1和图2所示。图 1-1 飞行器俯视图图 1-2 飞行区立体图1.2 设计相关要求1.2
7、.1 根本要求1四旋翼自主飞行器下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式启动飞行器起飞；飞向B区，在B区降落并停机；飞行时间不大于45s。2飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起飞；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s。1.2.2 发挥局部1飞行器摆放在A区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并起飞。2飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向B区，并在空中将薄铁片投放到B区；飞行器从示高线上方返回A区，在A区降落并停机。3以上往返飞行时间不大于30s。4其他。二、方案论证1、控制器模块方案方案一：采用通俗的51单片机，运用比拟广泛，有良好的知识作为根底，上手很快。但是本系统
8、的程序量较大，需要的IO口资源较多，需要输出四路PWM波控制电调转动，51单片机难以胜任。方案二：系统采用瑞萨公司所生产的R5F100LEA单片机为主控制芯片，单片机算数运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于功耗低，体积小、技术成熟和本钱低等优点，使其运用灵活方便。三、理论分析与计算四旋翼微型飞行平台呈十字形穿插，由4 个独立电机驱动螺旋桨组成，如图1 所示。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨如1 与3转向一样，相邻的螺旋桨如1 与2转向相反。同时增加减小4 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的速度，可以产生滚动、俯仰等
9、运动。图1 四旋翼飞行器构造示意图1、系统硬件设计与实现四轴飞行器的机械构造需保证均匀性、对称性和稳定性。均匀性要求材料的质地要均匀，对称性要保证机械架构三维生的对称性，稳定性要求机械器件连接结实并且在起飞和着陆时机架有抗击能力。机身支架的材料使用硬质塑料，身机为mm方形框架，旋翼直径10mm，厚度1.5mm。其硬件组成如图1所示, 主要包括角速率陀螺、加速度计、超声波传感器、微处理器、舵机控制接口、有效任务载荷接口以及电源等。图2 为飞行控制系统硬件框图。图2 飞行控制系统硬件框图1.1陀螺仪和加速度传感器陀螺仪主要用于飞行器保持平衡。陀螺仪的测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。陀螺仪实际
10、上等效于三个角度传感器，部通过MEMS工艺做出了一个参考坐标系，当芯片的坐标相对参考坐标发生旋转时，芯片会读出这个差异。因此，测量*YZ轴线的倾角变得可以实现。利用陀螺效应，感知你陀螺仪中陀螺的相对方向，经过单片机处理与初始状态比拟感知陀螺的方向。这就让他可以对飞机等的运动方向进展感知，如有偏航可以立刻对制动系统发出指令进展修正。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，很多情况下都是和陀螺仪搭配用的。加速力也就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速度计由检测质量也称敏感质量、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。当仪表壳体沿输入轴作加速运动时，检测质量因惯性而绕输出轴转动，传感元件将这
11、一转角变换为电信号，经放大后馈送到力矩器构成闭环。力矩器产生的反响力矩与检测质量所受到的惯性力矩相平衡。输送到力矩器中的电信号电流的大小或单位时间脉冲数就被用来度量加速度的大小和方向。加速度传感器测量运载体线加速度的仪表，在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正元件。图4为加速度计示意图。图3 角速度变化与陀螺输出的关系图4 加速度计示意图1.2控制系统四旋翼飞行器的控制系统分为两个局部，飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU 惯性测量单元由陀螺传感器与加速度传感器组成检测飞行姿态。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
12、的转速来改变飞行姿态，系统采用12 V 电池供电。飞行器控制器要能够通过采集处理微型MEMS惯性器件和三维地磁传感器数据计算飞行器的姿态角和航向角，并根据飞行指令和任务要求，结合相应的控制律给出适当的控制信号，控制飞行器的执行机构，改变飞行器的姿态和位置等1。飞行控制器的主要功能如下： 1)提供多个通信信道，使飞行器与陀螺仪、磁航向计、高度计、导航系统、地面测控系统通信； 2)提供足够的存储空间，以满足复杂控制软件的实现； 3)检测飞行器的状态量，包括高度、速度、航向、姿态等； 4)通过RS232串行接口与地面测控系统通讯，一方面获取地面的控制信号另一方面将飞行器的状态信息回传给地面； 5)飞
13、行器能工作在手动自主的切换模式。1.3超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。假设对发送传感器谐振频率为40KHz的压电瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压，则压电瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40KHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+ 极，另一面为“-极的40KHz正弦电压。图5为
14、超声波传感器的电路图。需要用超声波传感器来测距定高选择的工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ，根本类型为别离式反射型，通过标准的总线输出高度信号。图5 超声波传感器电路图1.4摄像头ov7620 OV7620 是OmniV ision 公司生产的CMOS 彩色图像传感器, 其部集成了感光单元和A/ D 转换器件, 并且提供了提供8/ 16 位CCIR601、CCIR65 6 等格式视频数字信号接口。它支持连续和隔行两种扫描方式; 最高像素为664 492 , 帧速率为3 0 f/ s; 数据格式包括YU V、YCrCb、RGB3 种, OV 7620 置可编程功能存放器并且设置有上
15、电模式和SCCB 编程模式。OV 7620 的数字图像输出接口为YcrCb 16 位/ 8 位可选模式和RGB16 位/ 8 位可选模式两种组态 2 。YCrCb 即Y UV ,主要用于优化彩色视频信号的传输。与RGB 视频信号传输相比, 它最大的优点在于只需占用极少的频宽。其中/ Y0 表示明亮度, 也就是灰阶值; 而/ U0 和/ V0 表示的则是色度, 作用是描述影像色彩及饱和度, 用于指定像素的颜色。采用YU V 色彩空间的优点是它的亮度信号Y 和色度信号U、V 是别离的。如果只有Y 信号分量而没有U、V 分量, 则这样表示的图像就是黑白灰度图像。视觉导航应用中, 图像只有路面和引导线两种颜色, 因此只需对灰度信号进展处理就可识别出路径实现导航。因此在本文中主要讨论在32 0 240 分辨率下处理8 位Y 信号分量, 实现导航的方法。OV7620 要实现输出一帧完整的图像, 除了8 位Y 信号分量外还有4 个同步信号配合实现视频帧的输出, 他们分别是垂直同步信号VSYN C、奇数场同步信号FOOD、水平同步信号HSYNC 和像素同步信号PCLK。采用连续扫描方式时只需要VSYNC 和HSYNC、PCLK 三个信号, 其逻辑关系如图6所示.图6 OV7620 数据输出时序2、软件系统设计2、1PWM脉
