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1、電子工程設(shè)計開題報告（2）小組成員姓名及學(xué)號：張里B13040740金浩瀚B13040717謝敏波B13040834學(xué)院：電氣工程與自動化學(xué)院專業(yè)：自動化設(shè)計題目:四旋翼飛行器指導(dǎo)老師：姚惠林2015年11月一、課題提出的背景1.四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降的多旋翼飛行器,它非常適合近地偵察、監(jiān)視、航拍、農(nóng)業(yè)播撒任務(wù)。國外某些科技公司，如亞馬遜，正在開發(fā)研究利用多旋翼飛行器進行快遞投送等自動化的物流業(yè)務(wù)，可見其具有廣泛的軍事和民事應(yīng)用前景。但是四旋翼飛行器控制難度較大,難點在于飛行器具有欠驅(qū)動、多變量、非線性等比較復(fù)雜的特性。因此四旋翼飛行器的建模與控制也成了
2、控制領(lǐng)域的熱點和難點。四旋翼飛行器有各種的運行狀態(tài),比如:爬升、下降、懸停、滾轉(zhuǎn)運動、俯仰運動、偏航運動等。本文采用牛頓-歐拉模型來描述四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。本文限于作者能力未對四旋翼飛行器的機架結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性做詳盡的分析和研究,而是一定程度上簡化了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，在一定姿態(tài)角度內(nèi)近似將其看作線性系統(tǒng)，以方便使用PID控制算法對飛行器在空中的三個歐拉角進行控制。2.本文提出了四旋翼飛行器的系統(tǒng)設(shè)計方案,設(shè)計了四旋翼飛行器的機械結(jié)構(gòu),對其進行了模塊化設(shè)計。系統(tǒng)選用STM32開發(fā)板作為主控芯片，對MPU-6050芯片采集到的三軸角度和三軸角速度數(shù)據(jù)進行P
3、ID算法處理，通過輸出相應(yīng)的PWM占空比對電機進行控制，從而達到控制飛行器不同的飛行姿態(tài)。同時利用超聲波傳感器來實時檢測飛行器與地面的距離，并不斷地進行調(diào)整以此保證飛行器能達到所需的要求。二、課題研究的內(nèi)容及目標(biāo)2.1設(shè)計目標(biāo)及面向?qū)ο?.2設(shè)計方案本系統(tǒng)主要由控制模塊、高度測量模塊、電機調(diào)速模塊、角速度和角加速度模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。2.3控制系統(tǒng)的選擇STM32開發(fā)板作為主控模塊來控制飛行器的飛行姿態(tài)與方向。2.4飛行姿態(tài)控制的論證與選擇方案一：單片機將從MPU-6050中讀取出來的飛行原始數(shù)據(jù)進行PID算法運算，得到當(dāng)前的飛行器歐拉角，單
4、片機得到這個歐拉角后根據(jù)歐拉角的角度及方向輸出相應(yīng)的指令給電調(diào)，從而達到控制飛行器平穩(wěn)飛行的目的方案三:采用全橋驅(qū)動PWM電路。這種驅(qū)動的優(yōu)點是使管子工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，提高使用效率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的微調(diào)。并且保證了可以簡單的方式實現(xiàn)方向控制?；谏鲜隼碚摲治?，選擇方案三。2.5電機的選擇方案一：采用有刷電機。有刷電機采用機械轉(zhuǎn)向，壽命短，噪聲大，產(chǎn)生電火花，效率低。它長期使用碳刷磨損嚴(yán)重，較易損壞，同時磨損產(chǎn)生了大量的碳粉塵，這些粉塵落軸承中，使軸承油加速干涸，電機噪聲進一步增大。有刷電機連續(xù)使用一定時間就需更換電機內(nèi)碳刷。方案二：采用無刷電機。無刷電機以
5、電子轉(zhuǎn)向取代機械轉(zhuǎn)向。無機械摩擦，無摩擦，無電火花，免維護且能做到更加密封等特點所以技術(shù)上要優(yōu)于有刷電機?？紤]到各方面，我們采用無刷電機，選用新西達A2212無刷電機。2.6高度測量模塊的論證與選擇方案一：采用bmp085氣壓傳感器測量大氣壓并轉(zhuǎn)換為海拔高度，把當(dāng)前的海拔測量值減去起飛時的海拔值即得飛機的離地高度。但芯片價格較貴，誤差較大，而且以前也沒用過這個芯片。方案二：采用HC-SR04超聲波傳感器測量飛行器當(dāng)前的飛行高度?？紤]到對元件的熟悉程度、元件的價格和程序的編寫，選擇方案二。2.7電機調(diào)速模塊的選擇由于本四旋翼飛行器選用的是無刷直流電機，所以電調(diào)只能
6、選用無刷電機的電調(diào)，自己做電調(diào)需要的時間長，而且可能不穩(wěn)定，所以直接用的是成品電調(diào)，我們選用與新西達A2212電機配套的電調(diào)。2.8角速度與加速度測量模塊選擇方案一：選用MMA7361角度傳感器測量飛行器的的與地面的角度，返回信號給單片機處理，從而保持飛行器的平衡。方案二：用MPU-6050芯片采集飛行器的飛行數(shù)據(jù)，過采用MPU-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器，功能MPU-6000（6050）整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運動處理(DMP:DigitalMotionProcess
7、or)硬件加速引擎，由主要串口端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。綜上，選擇方案二。三.設(shè)計與論證3.1．控制方法設(shè)計3.1.1．降落及飛行軌跡控制3.1.2．飛行高度控制飛行高度的采集采用超聲波模塊來實現(xiàn)，通過超聲波發(fā)出時開始計時，收到返回信號時停止計時，單片機利用聲音在空氣中的傳播速度與時間的數(shù)學(xué)關(guān)系來計算出飛行器距離地面的時間，從而控制飛行器
8、的飛行高度達到我們所需的
