四轴飞行器

班级： 学号： 姓名： XXX 四轴飞行器运动控制系统设计 目录 1.引言12.四轴飞行器的飞行原理22.1四旋翼飞行器结构22.2运动状态32.3技术难点32.4飞行姿态43.飞行器控制系统结构73.1姿态测量系统83.2电机驱动模块83.3主控制模块93.4电机驱动模块93.5无线通信模块93.6电源模块94.硬件设计104.1器件清单列表104.2模块的介绍114.2.1上位机114.2.3MPU6050模块134.2.4STM32芯片144.2.5电调144.2.6 无刷电机155.控制部分155.1姿态控制系统功能165.2姿态解算175.3 PID控制176 .设计总结181.引言 四轴飞行器是一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。和固定翼飞机不同，它通过旋翼提供的推力使飞机升空。它的四个旋翼大小相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就可以控制飞机维持姿态、或完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见的直升机有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩，控制飞机偏航运动的功能。 早期飞机设计中，四轴飞行器被用来解决旋翼机的扭矩问题。主副旋翼的设计也可以解决扭矩问题，但副旋翼不能提供升力，效率低。且使用尾桨的设计在结构上比使用多旋翼要复杂很多。因此四轴飞行器是最早的一批比空气重的垂直起降飞行器。但是早期的型号性能很差，难于操控和大型化。尤其是油门的控制难以做到精确和迅速。更加上传统的直升机构型在巡航时的效率要优于四轴飞行器。故此在直升机的技术问题得以解决后，四轴飞行器迅速从飞行器设计方式中销声匿迹了。 近来四轴飞行器在无人机领域获得了新生。使用电传飞行控制系统以及油门响应速度迅速的电动机作为动力系统，克服了四轴飞行器的主要缺点。四轴飞行器飞行稳定，操控灵活，可以在户内和户外使用。和直升机相比，它有许多优点：它的旋翼角度固定，结构简单。每个旋翼的叶片比较短，叶片末端的线速度慢，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对也人更安全。有些小型四轴飞行器的旋翼有外框，避免磕碰。因为四轴飞行器体积小、重量轻，携带方便，能轻易进入人不易进入的恶劣环境。常用来制作模型，也用来执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。 本文主要就小型电动四轴飞行器，介绍对四轴飞行原理，重点讲解对其飞行姿态控制的实现方案。2.四轴飞行器的飞行原理 2.1四旋翼飞行器结构 形式如图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。2.2运动状态 与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。其基本运动状态分别是：（1）垂直运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动；（4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动；2.3技术难点（1） 在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。（2） 微型四旋翼无人飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。（3） 利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。2.4飞行姿态（1）垂直运动在图中，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。（2）俯仰运动在图（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转速该变量的大小应相等。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。（3）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。（4） 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。（5）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，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。（6） 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。3.飞行器控制系统结构 本四轴飞行器控制系统主要实现人的遥控操作及自动增稳功能。飞行器通过接收机接收到的遥控指令完成操作者的遥控操作，同时具有感知飞行姿态并自动调整的功能。整个控制系统包括电源模块、无线通讯模块、传感器模块、电机驱动模块、控制器模块。无线收发模块接受遥控器传来的控制信号，然后将控制信息传送给控制器模块。传感器模块采用三轴加速度传感器、陀螺仪实时监测飞行器飞行的实际姿态，并将飞行器的实际姿态数据传送给控制器模块。控制器模块接收到传感器模块和无线通讯模块传来的目标姿态数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行，并将遥测信息通过无线通讯模块传送到地面控制站。 图3.1系统框架图3.1姿态测量系统 四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量(即称为六自由度)。传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因此传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包括测量机身三轴角速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度计、测量机身航向及姿态信息的罗盘等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂和数字罗盘受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪、加速度计和数字罗盘结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。（1）加速度传感器：加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角度,利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X,Y,Z轴上，测量出物体的姿势。（2）陀螺仪：利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。（3）地磁传感器是用来确定方向的。它利用地磁场来定北极，其基本原理和我们熟知的指南针差不多。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投影，可以提供活动物体的航向角、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿态，实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系。不过在实际应用中，需要注意周围物体所产生出来的磁场对传感器造成的干扰。3.2电机驱动模块 根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给控制器模块，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。从而实现四轴飞行器不同的飞行状态。 直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。3.3主控制模块 中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率和偏航角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行，通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。 PWM脉冲控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。3.4电机驱动模块 通过控制PWM可以实现对加在两端实际等效电压的控制从而实现控制速度，PWM占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。3.5无线通信模块 通过无线网络建立地面控制站和飞行器的通信链路。地面控制站向主控模块传输飞行和任务控制指令，同时中心控制模块发送飞行状态、任务状况等。3.6电源模块 为机载控制系统、电机等提供电源，电池有镍氢电池和锂电池。锂电池的电流释放量C系数普遍比镍氢电池大，而且比较恒定，因此选择锂电池。电池的选择主要看两个性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飞行器的续航能力就越长。但容量越大的电池其重量就越重，因此容量选择既需要满足有一定的续航能力，且较轻。4.硬件设计4.1器件清单列表F330机架、朗宇angel系列无刷电机（4个）、30A中特威AL电调（4个）、正反桨各两片、锂电池2200mah一块、STM32芯片一片、MPU6050、NRF24l01收发模块。各个部分的连接如下图所示： 图4.1 电器结构图所有器件组合起来，构成如下的四轴飞行器：图4.2 实物图4.2模块的介绍4.2.1上位机 上位机的主要作用是显示飞行器的飞行姿态和发出对飞行器的控制信息。利用上位机，我们可以很方便的对飞行器就行PID调节，可以实时改变飞机的参数。上位机还有波形显示，校准等基本功能。 图4.3 上位机操作界面4.2.2NRF24l01收发模块 NRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。 图4.4 NRF24l01管脚图 图3.5 NRF24l01电路原理图 无线模块的通信调试中过程中遇到了很多问题，首先是收发端的程序必须要配对使用，还要设置相同的波特率，无线模块才可以进行收发信息。这是设计过程中的一大难点。4.2.3MPU6050模块 MPU-6050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、磁力传感器等外接传感器。 感测范围:MPU-6050的角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为2g、4g8g与16g。MPU-6050可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V5%。MPU-6050的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有1%变动的振荡器。 MPU6050是整个飞行器能够飞行的保证，就像是飞机的感官一般，时刻反应着飞行器的各种状态。然后通过stm32芯片的处理，输出信号去控制电机的转速，从而保证飞行器可以稳定飞行，并根据飞行要求调整自身。 图4.6 MPU6050电路原理图4.2.4STM32芯片 飞行器的大脑，核心部件，信息的交换、处理中心。本次设计中使用的STM32具体型号是STM32F103VET6。图4.7 引脚图 图4.8 最小系统电路4.2.5电调 电调全称电子调速器，英文electronicspeedcontroller,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的转速。对于它们的连接，一般情况下是这样的：(1)电调的输入线与电池连接；(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。 同时，电调可以输出一个5V左右的稳压直流电源，可以直接为主控芯片供电，可以省掉一个稳压电路。信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。 在本次设计中，使用的是无刷电调，输出线有三根，一根5V的电源，一根地线，还有一根PWM信号控制输出线。由于电调输出的5V电压足够稳定，可以直接用来给飞控供电。4.2.6 无刷电机 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机。 无刷电机简明运行原理:简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变成3相交流电，还需要从遥控器接收机那里接收控制信号，控制电机的转速，以满足模型使用需要。 本次设计中，无刷电机的KV值为980，额定工作电压为11.1v。当油门调到最大时，电机转速可达到每分钟两万多转，负载1kg左右的东西飞行器依然可以正常飞行。由于电机的高转速，在调试过程中，要注意别被桨刮到。5控制部分 本设计只有两个传感器，只能测量四轴飞行器的PITCH和ROLL两个自由度，不能测量YAW。程序控制的思路如下图所示： 图5.1程序流程图5.1姿态控制系统功能 四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器(简称电调),调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型,姿态控制系统需要检测的状态有:无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心，其主要功能有： (1)主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理; (2)传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息; (3)主控制器能与PC机进行数据交换; (4)系统能进行无线数据传输。实现以上功能的模块式MPU6050和NRF24l01。5.2姿态解算 姿态矩阵的解算是惯导系统实时计算的核心，四元数法效率高、实时性好，因此该法应用最广泛。在飞行器六自由度动力学仿真中，由于质心运动和绕质心运动是相互耦合的，所以姿态解算方法也是影响动力学仿真性能的重要因素。无论是惯导计算还是动力学仿真计算，姿态解算的流程一般为：首先由惯性器件或姿态动力学积分得到飞行器相对于基准坐标系的角速度或角增量；然后采用不同的姿态解算方法对角速度或角增量进行积分，得到欧拉角或四元数信息；最后计算姿态矩阵。5.3 PID控制 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件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e(t）与输出u(t）的关系为: u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt.（1）式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s.（2） 其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。 PID控制器用途广、使用灵活，在使用中只需要设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。有些情况下去其中的一到两个单元，但比例单元必不可少。PID的参数比较容易整定，在本次设计中，我采用的PID整定方法就是直接通过上位机改变PID的参数。 图5.2 上位机PID调节界面通过改变上图中PITCH和ROLL框格中的PID参数，然后通过无线发送模块写入飞控，就可以调节飞行器的状态。不同的参数，会使飞行器有明显不同的飞行状态，在PITCH（187,5,4）和ROLL（187,5,4）的时候，飞行器可以实现悬停。但是外界的因素对飞行器的稳定有很大的影响，一点点改变就导致飞行器乱飞。系统控制的稳定度不高。6 .设计总结 本次设计的题目是四轴飞行器运动控制系统设计，根据四轴飞行器的工作原理，设计四轴飞行器的控制系统，对硬件的各个模块进行计算选择，综合各种因素来完善飞控系统，实现对四轴飞行器的运动姿态控制。设计初期，查阅了大量相关资料，熟悉了设计题目并对问题进行了一些分析，也咨询了很多相关专业的同学，在这个过程中慢慢形成了思路。开始着手去做的时候发现了很多问题，和同学讨论修改方案使我受益良多，拓宽了自己的思路同时提高了自己的动手能力。因为时间和个人能力原因，本次设计还有很多不足，相信这些会在我以后的学习过程中逐步完善。第 16 页