多旋翼自主飞行器报告

12015年全国大学生电子设计竞赛多旋翼自主飞行器（C题）2015年8月15日2摘要四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有操作灵活、带负载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值，本系统以瑞萨R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心。由电源模块、电机调速控制模块、电机模块、MPU9150模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。关键词：四旋翼飞行器；MPU9150；瑞萨R5F100LE；PID3目录一、系统方案...................................................................................................................................41、系统方案论证与控制方案的选择.....................................................................................41.1飞行器控制系统模块.......................................................................................................41.2电源模块的选择与论证...................................................................................................41.3电机模块的选择与论证....................................................................................................51.4电机调速控制模块............................................................................................................5二、系统理论分析与计算...............................................................................................................6四旋翼飞行器动力学模型.......................................................................错误!未定义书签。2.2PID控制算法结构分析....................................................................................................7三、电路与程序设计.......................................................................................................................91、电路的设计.........................................................................................................................9（1）系统总体框图.........................................................................................................9（2）飞行控制系统实物图与电路原理图.....................................................................9（3）给R5F100LE单片机为核心提供的5V电源系统框图与电路原理图...............11（4）总电源...................................................................................................................12（5）MPU9150模块........................................................................................................122、程序的设计.......................................................................................................................13四、测试方案与结果分析.............................................................................................................144.1测试设备方案.................................................................................................................144.2测试结果.........................................................................................................................15五、总结.......................................................................................................................................16六、参考文献.................................................................................................................................16七、附录.........................................................................................................................................164多旋翼自主飞行器（C题）【高职组】一、系统方案本系统主要由飞行器控制模块、电源模块、电机模块、电机调速控制模块、MPU9150模块等构成5大模块组织，下面分别论证这几个模块的选择。1、系统方案论证与控制方案的选择1.1飞行器控制系统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；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。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：主控板使用瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息,使用R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。比较以上二种方案，方案二占有很大优势，及本组成员的水平和竞赛所提供的元器件所以选择方案二。1.2电源模块的选择与论证电源模块在系统中的地位是极其重要的，四旋翼无人直升机要稳定工作必须有稳定的电源供给作为保障，为系统的各个模块提供动力。稳定的电源可以使系统在各种环境下长时间稳定的工作，而如果电源模块设计得不够合理，那么就像在系统中埋下了一颗不定时炸弹，系统随时都可能因此而崩溃。所以电源模块的设计必须非常慎重，以保证系统工作的稳定性。在本控制系统中，根据各模块工作的要求有如下方案:方案一：采用铅酸电池：铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。5方案二：采用锂聚合物电池：它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。相同容量的铅酸电池比锂聚合物电池便宜很多，但重量比锂聚合物电池重很多！而飞行器的载重能力有限，所以最终选择方案二锂聚合物电池。1.3电机模块的选择与论证四旋翼无人飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行器的飞行姿态和位置，与传统直升机通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，达到控制直升机的目的不同。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。方案一：直流有刷电机是当前普遍使用的一种直流电机，它的驱动电路简单、控制方法成熟，但是直流有刷电机使用电刷进行换向，换向时电刷与线圈触电存在机械接触，电机长时间高速转动使极易因磨损导致电气接触不良等问题，而且有刷电机效率低、力矩小、重量大，不适合对功率重量比敏感的电动小型飞行器。方案二：直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法，消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同时增强了电机的可靠性。所以选择直流无刷电机作为动力源。1.4电机调速控制模块方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。6方案三:采用全桥驱动PWM电路。这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状态，提高使用效率实现电机转速的微调。并且保证了可以简单的方式实现方向控制。综合以上三种方案，选择方案三。1.5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