四轴飞行器设计概述

四轴飞行器设计概述褚凯09电子信息工程011一、四轴简介及其发展前景二、系统组成三、硬件及控制算法四、后续研究2四轴简介及其发展前景什么是四轴飞行器？3四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3轴加速度传感器组成惯性导航模块，通过电子调控器来保证其快速飞行。四轴简介及其发展前景如何运动？4“+”型飞行模式“X”型飞行模式四轴简介及其发展前景其发展前景如何？5四轴飞行器可搭载GPS、北斗导航系统、高清摄像头、各种科研设备甚至武器系统，民用型的飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线路；连续监控重要的设施；区域性空－地、空－海通讯中继等。军用的飞行器可执行高空定点侦查，情报搜寻以及武装攻击等高风险任务。系统组成四大部分：机械结构无刷电机驱动飞控电路板飞控算法6系统组成飞行控制电路板7系统组成姿态检测模块（AHRS）1.三轴加速度计2.三轴陀螺仪3.三轴地磁仪4.气压计8系统组成飞控算法1.滤波融合算法2.平衡控制算法3.自稳控制算法4.飞行控制算法9硬件及控制算法主要硬件模块：从设计初期到最终完成设计一共设计并投板2版PCB。其中第一版主要包含电源供应电路、4路电机驱动接口、STM32最小系统电路、SWD下载调试接口、启动方式选择接口、NRF24L01无线模块接口、一个串口接口、三轴加速度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地磁仪HMC5883驱动电路以及OLED液晶模块显示接口。第二版主要包含电源供应电路、8路电机驱动接口、STM32最小系统、JLINK下载调试接口、启动方式选择接口、NRF24L01无线模块接口、蓝牙串口模块驱动电路、2个串口接口、三轴加速度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地磁仪HMC5883驱动电路、气压计BMP180驱动电路、OLED液晶模块显示接口、GPS导航模块接口、蜂鸣器电路以及电压监测电路，并将其余几乎所有闲置IO口引出，方便后期功能升级扩展。硬件及控制算法主控芯片使用STM32F103系列芯片，型号为STM32F103VET6，该芯片为增强型32位基于ARM核心Cotex-M3的微控制器，自带512K字节闪存，高达64K字节SRAM。最高支持72M工作频率，3个12位AD转换器（多达21个转换通道），转换时间最低达到1us，并包含2通道12位DA转换器。12通道DMA控制器，多达11个定时器和13个通信接口11硬件及控制算法最小系统12硬件及控制算法下载与启动方式选择电路13硬件及控制算法电源供应电路14硬件及控制算法滤波电路15硬件及控制算法MPU6050MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。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、±4g、±8g与±16g。16硬件及控制算法MPU6050驱动电路17硬件及控制算法HMC5883HMC5883是一种表面贴装的高集成度、带有IIC数字接口的弱磁传感器芯片。它内含有最先进的高分辨率磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路（包括有放大器、自动消磁驱动器和偏差校准等），具有12位模数转换器能使罗盘精度控制在1°~2°之间，测量范围从毫高斯到8高斯(gauss)。18硬件及控制算法HMC5883驱动电路19硬件及控制算法HC-05HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主从和回环三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行所有AT命令，用户可为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。20硬件及控制算法蓝牙串口模块驱动电路21硬件及控制算法第一版飞控22硬件及控制算法23硬件及控制算法第二版飞控24硬件及控制算法25硬件及控制算法滤波融合算法1.滑动窗口滤波法把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。2.一阶滞后滤波法取a=0到1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。26硬件及控制算法滤波效果27N=20A=0.3硬件及控制算法28N=35A=0.2硬件及控制算法29N=50A=0.1硬件及控制算法融合算法加速度计是用来检测加速度的，实际使用中测量角度是利用静态时只存在重力加速度，再使用反正弦求出角度。而在运动的物体上时，物体运动时会产生与运动方向相同的一个加速度分量，该加速度分量会叠加在重力加速度上，使角度测量产生很大偏差。陀螺仪用来检测当前轴的角速度，可以很好的抗震动和干扰，对陀螺仪一段微小时间内的角速度进行积分，积分后的结果就为此段时间该轴旋转的角度。而众所周知，积分会产生累计误差，当累计误差达到一定大小，会对系统造成很大影响，使整个系统稳定性降低。30互相补偿融合硬件及控制算法31硬件及控制算法32硬件及控制算法平衡自稳控制算法33PID控制器原理框图硬件及控制算法在实际使用中，以X轴平衡为例，使用到了两套PID算法，对陀螺仪的数据进行PD运算，可使飞行器在某一范围内稳定或者很缓慢的偏移，并且可以抗大的扰动，此为飞行器平衡算法。但单独依靠此算法飞行器无法自动回到零点，这就需要对飞行器的实时角度进行PI运算或PID运算，当飞行器发现与零点有偏差，PI运算立刻起作用，修正飞行器角度，此为飞行器自稳算法。34硬件及控制算法飞行控制算法四轴飞行器在四角上安装有四个电机，所有的飞行姿态都由四个电机来控制，包括横滚（绕x轴旋转）、俯仰（绕y轴旋转）、航偏（绕z轴旋转）。在x、y、z轴设立零点角度值Angle_x0、Angle_y0、Angle_z0，设现在实时角度值为Angle_x、Angle_y、Angle_z，则现在偏差为：Angle_Error_x=Angle_x-Angle_x0；Angle_Error_y=Angle_y-Angle_y0；Angle_Error_z=Angle_z-Angle_z0；对该偏差进行相关PID运算，调节x、y、z轴零点值即可进行相应的运动。35硬件及控制算法相关视频演示36硬件及控制算法37后续研究电子调速器的研究上位机的进一步开发自动悬停控制距离功能拓展（图像识别、定点导航……）3839