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天津理工大学自动化系专业设计报告题目：四旋翼飞机飞行控制系统软件设计班级自动化11-卓1指导教师郭健梁雪慧设计成员杨松和自动化学院2014年11月17日一．专业设计意义作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。在军事领域，无人机早己投入到实战使用中。无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。例如，无人机可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动。与固定翼无人机相比，旋翼无人机具有能够向后飞行、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活，能够满足多种用途，因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点；而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点。二．专业设计任务书设计内容：1.了解四旋翼飞机飞行控制系统设计的意义与目的；2.分析飞行器飞行姿态的控制原理及方法；3.设计飞行控制和电机调速方案。4.基于Keil编写控制程序。5.与硬件部分结合基于Proteus进行仿真。6.调试并完善系统。开发工具:Proteus仿真软件、Keil编程软件指导教师：日期：三、专业设计进度计划及检查情况记录表序号日期计划完成内容实际完成内容110.13-10.19查找资料了解设计意义和目的210.20-10.26分析飞行器姿态控制原理及方法310.27-11.02设计飞行典型姿态控制方案411.03-11.09绘制系统控制流程图511.10-11.16编写控制程序并调试系统611.17-11.23撰写报告，进行答辩四、成绩评定与评语指导教师：日期：平时、出勤、动手（50%）专业设计报告（30%）答辩（20%）专业设计成绩题目：四旋翼飞行器姿态控制软件系统设计一．总体设计方案系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块等四部分组成，采用X字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。1.1、控制系统选择方案方案一：主控板使用pcduino。其内存大而且板子体积较小，重量较轻，对四旋翼的载重量要求较低。但是它对电源的要求较高，而且I/O口较少，我们刚开始学习使用，不是很熟悉，对于四旋翼的需要不够。方案二：主控板使用stm32。stm32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。综上所述，我们选择了方案二。1.2、飞行姿态控制方案论证方案一：十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。方案二：X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。综合以上两种方案为了灵活性，所以选择了方案二。1.3、角度测量模块的方案论证方案一：光纤陀螺仪。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。方案二：MPU6050三轴陀螺仪。MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。综合以上两种方案，我们选择了方案二。二．设计内容（一）四旋翼飞机飞行姿态介绍姿态解算模块的主要功能有两个，一个是对传感器获得的加速度计和陀螺仪数据进行处理获得各自所计算出来的飞行器此时的欧拉角，第二个是通过传感器数据融合计算，得到飞行器此刻的姿态角准确值。利用加速度计数据计算欧拉角使用的是三角函数方法。其原理如下图2-1所示：图2-1、加速度传感器倾斜检测示意图利用三轴加速度计进行倾斜检测的一种方法是基于一个参照点分别确定加速度计各个轴的角度。参照点取器件的典型取向,其中X轴和Y轴位于水平面内(0g场),Z轴与水平线垂直(1g场)。如图4.5所示,其中为水平线与加速度计X轴的夹角,为水平线与加速度计Y轴的夹角看,为重力矢量与Z轴的夹角。在X轴和Y轴的起点0g处以及Z轴上1g处,计算得到的所有角度均为0度。由基本三角函数可知,可利用下列公式计算倾斜角度：上述第三个公式中的运算为逆运算,这是因为初始位置为1g场,如果需要将水平线作为Z轴的参照,则可进行逆运算。正角表示加速度计对应的正轴指向水平线上方,负角表示该轴指向水平线下方。由于使用了反正切函数和加速比来求倾角,因此有效增量灵敏度为常数,可以精确测量单位球面周围所有点的角度。利用加速度计可以求出控制的绝对倾角,但是飞行器时刻是运动的,加速度计测得的数据中就不可避免的含有运动加速度,因此只利用加速度计求出旳飞行器姿态具有较大的误差,所以就需要一定的算法来估计加速度计的误差,实时修正飞行器的姿态。陀螺仪测量的是集体绕着某轴转动的角速度，由于原理较为复杂，这里不加叙述。滤波的方法有很多，商业四轴飞行器为了保证稳定性一般都使用复杂的卡尔曼滤波。但是卡尔曼滤波运算复杂，加长程序循环时间，会造成诸如陀螺仪积分漂移增加等情况，故本文采用互补滤波方式进行滤波。互补滤波计算简单，设计方便，可以很好的实现数据的融合。互补滤波器是一种频域特性滤波器,经常用来融合由不同传感器测量得到的具有相似物理意义的数据,摒弃每个数据的缺点从而估算出准确的参数。严格意义上讲,互补滤波器包含两种或两种以上的频率特性互补的传递函数。例如常见的两输入系统,两个输入量的物理意义相同,但是某个输入量也含高频噪声,需要加低通滤波器以滤除噪声;另外一个输入量包含低频噪声干扰,因此需要高频滤波器除去低频噪声。低通滤波器与高通滤波器频率特性互补,所以最终的输出是滤除噪声的准确的数据。陀螺仪响应速度快,但是会受到零点随温度漂移产生低频干扰；加速度传感器用来测量重力加速度矢量,响应速度也非常高,但是会因为微小扰动产生高频噪音干扰；数字罗盘测量当地地磁场矢量,数据测量比较准确,但响应速度较慢，也会受电机电磁场的高频干扰而陀螺仪的数字积分又不可避免的带来积分漂移问题，由此可知，三种传感器测量相同的量在频域内特性互补,滤波算法实现两个信号的融合是很合适的。互补滤波的原理图如图2-2所示：图2-2互补滤波原理图（二）飞行控制系统设计方案该方案的主要功能就是集合无线遥控的输入信息和测得的此时飞行器的空中姿态通过PID控制算法进行控制决策，继而产生控制输出。其核心就是PID算法部分。本课题的飞行器控制系统主要由高度控制和姿态控制组成。控制系统总体框图如图2-3:图2-3控制系统总体框1、高度控制系统设计高度控制系统十分简单，整个控制回路有人来完成。操作者可以通过遥控器给出此刻电机升力的基值pwm_base。姿态控制输出量只不过是在该值上再改变PWM输出。所以四轴飞行器受到升力的平均水平应该是通过视觉反馈信息来人工控制。2、姿态控制系统设计姿态控制的落脚点在于控制欧拉角。2.1、控制规律选择：工业领域最常用的控制器就是PID控制器，它结构简单，在很多控制过程中都比较有效，对参数的调节已经有很多成熟的经验可以借鉴。虽然在控制领域，有很多先进的控制算法，但囿于本设计锁使用AVR单片机的运算能力和设计者水平，本文采用PID控制规律来设计控制器。2.2、数字PID控制器设计：设计数字控制器时有两种设计方式:连续化设计技术和离散化设计技术。数字控制器的连续化设计忽略系统中的零阶保持器,将经过釆样后的系统仍然按照连续系统在S域中求出连续的控制器,最后通过近似将连续的控制器离散化为数字控制器。利用连续化的数字控制器,可以充分利用比较成熟的连续化设计技术,但是这种方法要求系统有较高的釆样率。根据计算机采样控制理论来设计数字控制器,称为数字控制器的离散化设计,由于是根据系统采样和控制特点计算相应的控制率,因而这种方式允许系统有较大的采样周期,对系统的控制质量也较高。为了方便采用传统的PID控制器我们采用数字控制器的连续化设计方法。传统的理想PID控制器原理图如下图2-4图2-4传统理想PID控制器原理方框图PID控制规律为：其中，采用矩形法进行数值积分，即以求和代替积分，以差分代替微分，可以得到数字形式的PID控制规律如下公式：增量式PID数字控制器即为输出错误!未找到引用源。。由于实际中使用位置式PID算法可能产生输出脉冲，影响安全，而且需要存储数据的量巨大，所以本文采用增量式PID算法。数字PID控制算法程序框图如图2-5：图2-5数字PID算法框图2.3、PID参数整定参数整定通常有两种方法，即理论设计法和实验整定法。前者需要有被控对象的精确模型，然后采用最优化方法确定PID参数。由于本文极大简化了本来复杂的四轴飞行器模型，所以显然不适用与理论设计法。因此选择实验整定方法（试凑法），该方法简便直观，效果不错。PID参数对系统性能影响如下：①放大倍数错误!未找到引用源。对系统性能的影响：增大，将使得系统动作灵敏，响应速度加快。而偏大则会使得衰减震荡次数增多，调节时间变长；太小又会使得响应速度缓慢。在系统稳定的前提下，加大有利于减小系统稳态误差，但不能消除稳态误差。②积分时间错误!未找到引用源。对系统性能影响：积分时间通常影响系统稳定性。错误!未找到引用源。太小，系统将不能稳定。错误!未找到引用源。偏小，振动次数增多；错误!未找到引用源。太大，系统动态性能变差，且在系统稳定的前提下，积分作用太弱，不利于减少稳态误差。③微分时间错误!未找到引用源。对系统性能的影响：微分时间常数错误!未找到引用源。的增加可以改善系统的动态性能，如超调量减少、调节时间缩短、允许加大比例控制，使稳态误差减少从而提高控制精度。但是微分作用又有可能放大系统噪声，降低系统的抗干扰能力。试凑法实现步骤如下：①按照先比例后积分最后微分的原则反复调整。②首先只整定比例系数，将错误!未找到引用源。由小变大，使得系统响应曲线略有超调。此时若系统无稳态误差或者稳态误差已经小到允许范围内，并且响应速度已经满意，那么，只需要用比例调节器即可，最优比例系数错误!未找到引用源。也已经确定。③若在比例调节的基础