1. <rp id="zsypk"></rp>

      2. 四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計論文

        時間:2021-04-20 16:14:57 論文 我要投稿

        四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計論文

          四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。下面由學(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計”的航天工程論文,供大家參考。

        四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計論文

          原標(biāo)題:四旋翼控制系統(tǒng)的設(shè)計

          摘要:在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎(chǔ)上,給出了微型四旋翼飛行器的實現(xiàn)方案,采用RL78G13為核心處理器,采用MPU6050實現(xiàn)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集,利用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)參數(shù)的無線傳輸,并進(jìn)行了驅(qū)動電路、電源穩(wěn)壓電路、電池電壓檢測電路的設(shè)計。針對四旋翼飛行器在工作過程中供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題,采用電池電壓反饋的控制策略有效解決了該問題。在搭建的硬件平臺上,編寫了相應(yīng)的控制程序,經(jīng)過測試,實現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制。

          關(guān)鍵詞:四旋翼飛行器;姿態(tài)數(shù)據(jù);無線傳輸

          四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。軍方利用四旋翼飛行器進(jìn)行偵查、監(jiān)視、誘餌與通信中繼,解決了人為操作困難的問題,甚至減免了人員的傷亡;而在民用上,四旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)大氣監(jiān)測、交通監(jiān)控、森林防火等功能,有效預(yù)防了危機的產(chǎn)生,而促使四旋翼飛行器得到廣泛應(yīng)用的前提,是實現(xiàn)其平穩(wěn)飛行及自主運行[1].本設(shè)計以實現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與按照預(yù)定軌道自主飛行為目標(biāo),旨在探索四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)與飛行原理,并通過實際調(diào)試,理解四旋翼飛行器的相關(guān)控制理論,并解決四旋翼飛行器在工作過程中由于供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題。

          1設(shè)計原理方案

          四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對其飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度值進(jìn)行采集,主控制器采用四元數(shù)方法及PID算法對姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,并將計算后的PWM控制信號施加到電機上,進(jìn)而實現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制。

          通過調(diào)研及綜合目前四旋翼飛行器系統(tǒng)的特點及要求,確定了設(shè)計的性能及指標(biāo)如下。

         。1)通信功能:具有無線接口,實現(xiàn)飛行功能的無線設(shè)定。

         。2)飛行功能:①自主空中懸停于60cm處;②垂直升起至30cm處,水平飛行60cm后穩(wěn)定降落;③垂直升起至60cm處,水平飛行1m后穩(wěn)定降落;④由無線設(shè)定高度及飛行距離,完成起飛及降落功能。

          基于對需要實現(xiàn)功能的理解,確定該設(shè)計的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數(shù)據(jù)的處理、PID運算及PWM的輸出。系統(tǒng)由RL78G13最小系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、飛行數(shù)據(jù)采集模塊、電池電壓檢測模塊、高度檢測模塊、電源電路模塊、電機驅(qū)動模塊等構(gòu)成,總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

          各模塊的功能如下:RL78G13最小系統(tǒng)作為四旋翼飛行器的主控;飛行數(shù)據(jù)采集模塊,用于對四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;高度檢測模塊,實現(xiàn)定位追蹤四旋翼飛行器實際高度信息的功能;無線收發(fā)模塊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā);電池電壓檢測模塊,用于消除由于電池電量消耗對四旋翼飛行器造成的影響;電源電路模塊,為整個四旋翼飛行器提供電能;電機驅(qū)動模塊,用于提高I/O口的驅(qū)動帶載能力。

          2硬件設(shè)計

          2.1電機驅(qū)動電路設(shè)計

          RL78G13單片機I/O口輸出電流為10mA,3.7V空心杯電機的空載電流為80mA,顯然采用RL78G13單片機I/O口作輸出,無法驅(qū)動起四路空心杯電機,因此設(shè)計了驅(qū)動電路以提高I/O口的驅(qū)動帶載能力。設(shè)計中采用SI2302N溝道CMOS管進(jìn)行電流的驅(qū)動放大,單路電機驅(qū)動電路如圖2所示。測試表明,經(jīng)過SI2302驅(qū)動電路放大后,RL78G13能夠穩(wěn)定驅(qū)動四路空心杯電機,且長時間工作時,驅(qū)動電路元件自身發(fā)熱不明顯。

          圖2中穩(wěn)壓二極管D1起到續(xù)流及保護(hù)SI2302的作用,電機停轉(zhuǎn)過程中,電機內(nèi)部線圈產(chǎn)生的反電動勢經(jīng)D1形成放電通路,避免因無放電通路而擊穿驅(qū)動電路中SI2302的問題。

          2.2無線收發(fā)電路設(shè)計

          當(dāng)采用功能開關(guān)對四旋翼飛行器飛行方式進(jìn)行設(shè)定時,隨著其飛行功能越來越多,對功能開關(guān)的使用也將增多,使得四旋翼飛行器的硬件設(shè)計復(fù)雜,而且會增加其自身的重量,同時在實際調(diào)試中,通過功能開關(guān)切換飛行方式,又使得調(diào)試較為繁瑣,工作量較大。故在設(shè)計中引入無線參數(shù)給定的思想,設(shè)計了無線收發(fā)電路,采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF24L01在使用時所需的外部元件較少,僅需1個16MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),相比于其他無線收發(fā)電路而言,該電路設(shè)計簡單且成本較低。nRF24L01無線收發(fā)電路如圖3所示。

          2.3TPS63001穩(wěn)壓電路設(shè)計

          四旋翼飛行器在飛行過程中,隨著電機轉(zhuǎn)速的增加,會造成控制電路電壓大幅波動,進(jìn)而導(dǎo)致各功能模塊無法工作,為了避免此類情況發(fā)生,設(shè)計了TPS63001穩(wěn)壓電路,TPS63001在1.8~5.5V輸入時,均穩(wěn)壓輸出3.3V,保證系統(tǒng)各控制電路電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。TPS63001穩(wěn)壓電路如圖4所示。

          2.4電池電壓檢測電路設(shè)計

          四旋翼飛行器運行時,電池處于持續(xù)耗電狀態(tài),實驗中發(fā)現(xiàn)電量的持續(xù)消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩(wěn)定性的重要因素。為了消除其對四旋翼飛行器的影響,因此設(shè)計了電池電壓檢測電路,利用RL78G13自帶的AD實時檢測電池電壓,并通過適時調(diào)整PWM輸出信號的方式對飛行姿態(tài)進(jìn)行補償,以確保四旋翼飛行器始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

          2.5其他功能模塊電路設(shè)計

          其他功能模塊包括RL78G13最小系統(tǒng)、MPU6050數(shù)據(jù)采集電路、高度檢測模塊、功能開關(guān)電路。RL78G13最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路及晶振電路;MPU6050用來采集飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度信息;高度檢測則由GP2Y0A02YK0F模塊實現(xiàn),其工作原理是發(fā)射的紅外線經(jīng)過地面反射回來,并由模塊輸出電壓信號,輸出的電壓值會對應(yīng)相應(yīng)的探測距離,RL78G13通過測量電壓值就可以得出所探測的距離。設(shè)計的硬件實物圖如圖5所示。

          3軟件設(shè)計

          四旋翼飛行器在空間上具有6個自由度,分別為載體坐標(biāo)系X、Y、Z軸上的加速度與角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集這些參數(shù),然后進(jìn)行姿態(tài)解算,最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機上,通過調(diào)整各路PWM信號完成相應(yīng)的飛行控制功能。

          3.1控制算法

         。1)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù):RL78G13通過MPU6050采集載體坐標(biāo)系下的三軸加速度與三軸角速度,分別用axB、ayB、azB、ωxB、ωyB、ωzB表示。

         。2)數(shù)據(jù)更新:由于設(shè)計中采用四元數(shù)進(jìn)行歐拉角的計算,而歐拉角將隨著四元數(shù)的變化而變化,設(shè)計中采用四元數(shù)的自補償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新,如式(1)~(4)所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數(shù),Δt為MPU6050的采樣時間。

          (3)姿態(tài)角的計算:令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角(分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角)。ψ、θ和φ的計算如式(5)~(7)所示。

         。4)補償零點漂移:由于存在陀螺零點漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差,由載體坐標(biāo)系下的三軸角速度計算得到的四元數(shù)只能保證短期的精度,需要使用集成在MPU6050芯片內(nèi)部的加速度計對其進(jìn)行矯正。式(8)~(10)為axB、ayB、azB的數(shù)據(jù)歸一化。

          式(11)~(13)中的vx、vy、vz分別為利用四元數(shù)方法估計的四旋翼飛行器載體質(zhì)心的速度在載體坐標(biāo)系三軸上的分量。然后利用式(14)~(16)求出陀螺零點漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差ex、ey、ez.

          再對所得到的誤差進(jìn)行比例與積分,式(17)~(19)中的gx、gy、gz即為對零點漂移的補償。

          (5)PID計算:式(20)~(22)中θd、φd、ψd分別表示下一次解算出來的俯仰角、橫滾角及偏航角的值,eθ、eφ、eψ分別用來表示兩次解算的俯仰角、橫滾角、偏航角的誤差。

          kp、ki、kd為PID的控制參數(shù),利用PID算法通過式(23)~(25),分別求出施加在4個電機上的可調(diào)變量uψ、uθ、uφ。

         。6)輸出整合:令motor1、motor2、motor3、motor4為控制4個電機的PWM輸出參數(shù),Moto_PwmMin為PWM基礎(chǔ)量(根據(jù)不同情況設(shè)定,一般為0)。根據(jù)理論計算,施加在4個電機上的PWM輸出信號如式(26)~(29)所示。

          3.2參數(shù)整定與調(diào)試

          設(shè)計中采用PID控制算法進(jìn)行四旋翼飛行器的控制,I是積分項,積分項會隨著時間的增加而增大,能夠消除系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在的穩(wěn)態(tài)誤差,但是在實際調(diào)試過程中,通過增大P值可以抑制穩(wěn)態(tài)誤差[2],因此主要是采用PD的控制方式。調(diào)試過程中,對P、D值的同時調(diào)整會產(chǎn)生的兩種控制效果的疊加,以致無法進(jìn)行每一控制參數(shù)的影響分析,故先使D值為零,P值由0增加,初次調(diào)試時,四旋翼飛行器自身不存在調(diào)節(jié),當(dāng)P值增加時,根據(jù)式(23)~(25)計算所得的uψ、uθ、uφ值均增加,再經(jīng)式(26)~(29)后,施加在4個空心杯電機上的PWM控制信號均有所變化。調(diào)試中,為了防止四旋翼飛行器控制出錯而損壞硬件,故將四旋翼飛行器以X字型倒掛固定在一根活動的長桿上,當(dāng)P值由0增加到4時,四旋翼飛行器出現(xiàn)了翻滾的飛行狀態(tài),表明P開始對整體系統(tǒng)起作用,逐漸增大P值,四旋翼飛行器開始產(chǎn)生大幅度的'等幅振蕩,當(dāng)P值增大到14時,振蕩幅度減至最低,四旋翼飛行器幾乎穩(wěn)定,再增加P值,四旋翼飛行器又開始進(jìn)行等幅振蕩,說明P值為14時為系統(tǒng)自穩(wěn)的一個分界點。根據(jù)查閱的大量資料了解到D值是通過預(yù)測系統(tǒng)誤差的變化來減少系統(tǒng)的響應(yīng)時間,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3].調(diào)試過程中,逐漸增加D值,當(dāng)D值增加至0.8時,四旋翼飛行器的自身調(diào)節(jié)更快,穩(wěn)定性更高。同時D值的增加會對P值有一定的影響,最終確定P值為13.8、D值為0.8時,系統(tǒng)穩(wěn)定飛行于長桿上方。當(dāng)去掉長桿時,四旋翼飛行器能夠穩(wěn)定飛行,但隨著飛行時間增加,飛行穩(wěn)定性越來越差,因此考慮了姿態(tài)補償問題。

          3.3姿態(tài)補償

          在實際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),電池處于滿電狀態(tài)與大幅度消耗狀態(tài)下,四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)存在較大差異:滿電狀態(tài)下,各部分電路工作穩(wěn)定,電機轉(zhuǎn)速正常,當(dāng)電池的電量持續(xù)消耗時,電機的轉(zhuǎn)速不斷降低,因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢,為了消除這一影響,利用RL78G13實時檢測電池電壓,并適時調(diào)整PWM輸出信號來實現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)補償。由式(26)~(29)知,通過增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機上的PWM信號,進(jìn)而增大電機轉(zhuǎn)速,可以實現(xiàn)對飛行姿態(tài)進(jìn)行補償[4].經(jīng)調(diào)試知,當(dāng)RL78G13檢測到3.7V的電壓降到3.5V時,將Moto_PwmMin增至100對飛行姿態(tài)的補償最佳,隨后電壓值的下降與Moto_PwmMin值的增加基本呈非線性的關(guān)系,經(jīng)大量實驗驗證,補償系數(shù)符合式(30)的規(guī)律,式中u1代表電池當(dāng)前的電壓值。

          當(dāng)檢測到的電壓值低于2.6V時,飛行姿態(tài)將無法得到補償,必須停止飛行。將式(30)分別代入式(26)~(29),得到(31)~(34),此4式則為最終施加到4路電機的PWM控制信號。

          4結(jié)論

          實驗結(jié)果表明,本文所設(shè)計的四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡易、飛行姿態(tài)靈活,實現(xiàn)了空中穩(wěn)定懸停及按預(yù)設(shè)路線飛行等兩種飛行功能,并實現(xiàn)了無線參數(shù)的給定,滿足了設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)與功能要求,解決了因供電電壓不斷降低而導(dǎo)致的控制不穩(wěn)的問題。為推動四旋翼飛行器技術(shù)的發(fā)展提供了很好的參考設(shè)計方案。

          參考文獻(xiàn):

          [1]胡從坤,余澤宇,陳曦晨。四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J].科技廣場,2014(6):50-56.

          [2]宿敬亞,樊鵬輝,蔡開元。四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2011,37(9):1054-1058.

          [3]阮旭日,王史春。新型四旋翼飛行器設(shè)計與制作[J].科技視界,2015(3):21.

          [4]易先軍,周敏,謝亞奇。四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2014,36(11):59-62.

        【四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計論文】相關(guān)文章:

        淺談基于SolidWorks 和ANSYS 的一種四旋翼飛行器旋翼的設(shè)計及分11-14

        《我的太空飛行器》教案設(shè)計09-25

        飛行器大戰(zhàn)小學(xué)日記12-25

        科學(xué)三年級自轉(zhuǎn)旋翼教學(xué)設(shè)計01-23

        書本就是時空飛行器隨筆06-03

        有關(guān)微型飛行器的小幅運動氣動力建模研究論文11-01

        四年級美術(shù)《萬能飛行器》教學(xué)反思07-11

        四年級美術(shù)《萬能飛行器》的教學(xué)反思03-03

        飛行沖突事故模擬系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)探析論文11-15

        99热这里只有精品国产7_欧美色欲色综合色欲久久_中文字幕无码精品亚洲资源网久久_91热久久免费频精品无码
          1. <rp id="zsypk"></rp>