四軸飛行器設(shè)計概述

1、四軸飛行器設(shè)計概述,褚凱09電子信息工程01,1,Wit智能車團隊,,一、四軸簡介及其發(fā)展前景二、系統(tǒng)組成三、硬件及控制算法四、后續(xù)研究,2,四軸簡介及其發(fā)展前景,什么是四軸飛行器？,3,四軸飛行器是微型飛行器的其中一種，也是一種智能機器人。其構(gòu)造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導航模塊，通過電子

2、調(diào)控器來保證其快速飛行。,四軸簡介及其發(fā)展前景,如何運動？,4,“+”型飛行模式,“X”型飛行模式,四軸簡介及其發(fā)展前景,其發(fā)展前景如何？,5,四軸飛行器可搭載GPS、北斗導航系統(tǒng)、高清攝像頭、各種科研設(shè)備甚至武器系統(tǒng)，民用型的飛行器可執(zhí)行災情調(diào)查救援任務如水災、火災、地震等；噴灑農(nóng)田、林區(qū)農(nóng)藥；監(jiān)測化工廠等危險場所的危險氣體的濃度；巡查輸油管線、輸電線路；連續(xù)監(jiān)控重要的設(shè)施；區(qū)域性空－地、空－海通訊中繼等。軍用的飛行器可執(zhí)行高空定點偵

3、查，情報搜尋以及武裝攻擊等高風險任務。,系統(tǒng)組成,四大部分：機械結(jié)構(gòu)無刷電機驅(qū)動飛控電路板飛控算法,6,系統(tǒng)組成,飛行控制電路板,7,系統(tǒng)組成,姿態(tài)檢測模塊（AHRS）1.三軸加速度計2.三軸陀螺儀3.三軸地磁儀4.氣壓計,8,系統(tǒng)組成,飛控算法1.濾波融合算法2.平衡控制算法3.自穩(wěn)控制算法4.飛行控制算法,9,硬件及控制算法,主要硬件模塊：從設(shè)計初期到最終完成設(shè)計一共設(shè)計并投板2版PCB。

4、其中第一版主要包含電源供應電路、4路電機驅(qū)動接口、STM32最小系統(tǒng)電路、SWD下載調(diào)試接口、啟動方式選擇接口、NRF24L01無線模塊接口、一個串口接口、三軸加速度計三軸陀螺儀MPU6050驅(qū)動電路、地磁儀HMC5883驅(qū)動電路以及OLED液晶模塊顯示接口。第二版主要包含電源供應電路、8路電機驅(qū)動接口、STM32最小系統(tǒng)、JLINK下載調(diào)試接口、啟動方式選擇接口、NRF24L01無線模塊接口、藍牙串口模塊驅(qū)動電路、2個串口接口

5、、三軸加速度計三軸陀螺儀MPU6050驅(qū)動電路、地磁儀HMC5883驅(qū)動電路、氣壓計BMP180驅(qū)動電路、OLED液晶模塊顯示接口、GPS導航模塊接口、蜂鳴器電路以及電壓監(jiān)測電路，并將其余幾乎所有閑置IO口引出，方便后期功能升級擴展。,硬件及控制算法,主控芯片使用STM32F103系列芯片，型號為STM32F103VET6，該芯片為增強型32位基于ARM核心Cotex-M3的微控制器，自帶512K字節(jié)閃存，高達64K字節(jié)SRAM。最

6、高支持72M工作頻率，3個12位AD轉(zhuǎn)換器（多達21個轉(zhuǎn)換通道），轉(zhuǎn)換時間最低達到1us，并包含2通道12位DA轉(zhuǎn)換器。12通道DMA控制器，多達11個定時器和13個通信接口,11,硬件及控制算法,最小系統(tǒng),12,硬件及控制算法,下載與啟動方式選擇電路,13,硬件及控制算法,電源供應電路,14,硬件及控制算法,濾波電路,15,硬件及控制算法,MPU6050MPU-6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸

7、間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU-6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g與±16g。,16,硬件及控制算法,MPU6050驅(qū)動電路,17,硬件及控制算法,HMC5883HMC5883是一種表

8、面貼裝的高集成度、帶有IIC數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片。它內(nèi)含有最先進的高分辨率磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路（包括有放大器、自動消磁驅(qū)動器和偏差校準等），具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器能使羅盤精度控制在1°~2°之間，測量范圍從毫高斯到8高斯(gauss)。,18,硬件及控制算法,HMC5883驅(qū)動電路,19,硬件及控制算法,HC-05HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作

9、模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主從和回環(huán)三種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執(zhí)行所有AT命令，用戶可為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。,20,硬件及控制算法,藍牙串口模塊驅(qū)動電路,21,硬件及控制算法,第一版飛控,22,硬件及控制算法,23,硬件及控制算法,第二版飛控,24,硬

10、件及控制算法,25,硬件及控制算法,濾波融合算法1.滑動窗口濾波法把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)(先進先出原則)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，就可獲得新的濾波結(jié)果。2.一階滯后濾波法取a=0到1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。,26,硬件及控制算法,濾波效果,27,N=20 A=0.3,硬件及控制算法,28,N=

11、35 A=0.2,硬件及控制算法,29,N=50 A=0.1,硬件及控制算法,融合算法加速度計是用來檢測加速度的，實際使用中測量角度是利用靜態(tài)時只存在重力加速度，再使用反正弦求出角度。而在運動的物體上時，物體運動時會產(chǎn)生與運動方向相同的一個加速度分量，該加速度分量會疊加在重力加速度上，使角度測量產(chǎn)生很大偏差。陀螺儀用來檢測當前軸的角速度，可以很好的抗震動和干擾，對陀螺儀一段微小時間內(nèi)的角速度進行積分，積分后的結(jié)果就為此段時間該軸旋轉(zhuǎn)

12、的角度。而眾所周知，積分會產(chǎn)生累計誤差，當累計誤差達到一定大小，會對系統(tǒng)造成很大影響，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。,30,互相補償融合,硬件及控制算法,31,硬件及控制算法,32,硬件及控制算法,平衡自穩(wěn)控制算法,33,PID控制器原理框圖,硬件及控制算法,在實際使用中，以X軸平衡為例，使用到了兩套PID算法，對陀螺儀的數(shù)據(jù)進行PD運算，可使飛行器在某一范圍內(nèi)穩(wěn)定或者很緩慢的偏移，并且可以抗大的擾動，此為飛行器平衡算法。但單獨依靠此算法飛行器

13、無法自動回到零點，這就需要對飛行器的實時角度進行PI運算或PID運算，當飛行器發(fā)現(xiàn)與零點有偏差，PI運算立刻起作用，修正飛行器角度，此為飛行器自穩(wěn)算法。,34,硬件及控制算法,飛行控制算法四軸飛行器在四角上安裝有四個電機，所有的飛行姿態(tài)都由四個電機來控制，包括橫滾（繞x軸旋轉(zhuǎn)）、俯仰（繞y軸旋轉(zhuǎn)）、航偏（繞z軸旋轉(zhuǎn)）。在x、y、z軸設(shè)立零點角度值A(chǔ)ngle_x0、Angle_y0、Angle_z0，設(shè)現(xiàn)在實時角度值為Angle_x、

14、Angle_y、Angle_z，則現(xiàn)在偏差為：Angle_Error_x=Angle_x-Angle_x0；Angle_Error_y=Angle_y-Angle_y0；Angle_Error_z=Angle_z-Angle_z0；對該偏差進行相關(guān)PID運算，調(diào)節(jié)x、y、z軸零點值即可進行相應的運動。,35,硬件及控制算法,相關(guān)視頻演示,36,硬件及控制算法,37,后續(xù)研究,電子調(diào)速器的研究上位機的進一步開發(fā)自動懸停控制距