5-四轴飞行器控制系统研究.ppt

四轴飞行器控制系统研究 学生：李正东 学号：20091151037 专业：09电子信息工程（1）班 指导教师：杨为民 谢时俭 一、研究的背景及意义 飞行器可用于民用事业、满足国防需求，也可以开发和利用航空资源，国内外对飞行器都进行了大量的研究。一般的，对飞行器的研究主要分为三个类型，固定翼机、旋翼机和扑翼机。 无人飞行器（UAV）自主飞行的技术多年来一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如军事（侦察目标捕获与营救任务等），科学数据采集（地质、林业勘探、农业病虫害防治等），视频监控（航拍FPV、影视制作等）等。利用无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。 一、研究的背景及意义 四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，它小巧的体积可以适用于很多的用途。 四轴飞行器在结构上较单翼直升机相比，结构紧凑、能产生更大的升力，同时可以通过反扭矩作用使飞行器平衡，不需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者的要求不高等特点，这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。 二、本论文研究的目的 在无人飞行器自主飞行技术当中， 飞行器自主飞行控制算法的设计一直是控制领域众多研究者最关心和最关键的问题之一。 传统的控制策略是在飞行器系统的某个特定作用点上首先将系统模型线性化， 然后在此基础上运用经典控制理论对系统进行分析和控制，控制精度和控制能力相对偏弱。相比之下，运用现代非线性控制理论设计的控制算法，其性能明显优于经典控制算法 二、本论文研究的目的 小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制，飞行机动能力灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有小区域范围内起飞、盘旋，飞行、着陆的能力。同时，小型四旋翼飞行器研究也为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。 二、本论文研究的目的 本文通过实际制作一个小型的四轴飞行器，用以验证控制算法的可行性。围绕小型四旋翼飞行器控制系统研究这一主题， 在建立的飞行器动力学模型的基础上，设计了基于经典 PID 和互补滤波算法的四旋翼飞行器自动悬停控制系统，并通过在验证机上进行验证。 商用 Drangonflyer 外观 EADS Quattrocopter 外观 X-4 Flyers 外观 康奈尔大学设计的四旋翼飞行器外观 瑞士联邦工学院设计的四旋翼飞行器外观 不列颠哥伦比亚大学设计的四旋翼飞行器及其控制系统外观 三、系统组成 四轴飞行器系统主要由以下几部分组成，他们分别是： （1）旋翼驱动部分 （2）姿态探测部分 （3）超声波测距部分 （4）遥控收发部分 （5）电源部分 （6）单片机控制部分 （7）飞行器机架部分 2、实物图 3、?四轴飞行器的飞行原理简介 四轴飞行器有四个电机呈X字形排列，驱动四片桨旋转产生推力；四个电机轴距几何中心的距离相等，当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡， 四轴不会向任何一个方向倾转； 而四个电机一对正转，一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡，保证了四轴航向的稳定。四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴 横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动。当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停，其他方式的运动原理与以上过程类似. 四轴飞行原理虽然简单，但实现起来还需很多工作要做。 四、系统硬件设计 本系统采用silicon labs公司的C8051f系列单片机为核心，搭载多个传感器，并且尽量采用贴片封装元器件，以减小控制板的重量。 1、旋翼驱动部分 电调全称电子调速器，英文electronic speed controller ,简称ESC。针对电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器。 它根据控制信号调节电动机的转速。 它的连接，一般情况下是这样的： 1、电调的电源输入线与电池连接； 2、电调的输出线（有刷两根、无刷三根）与电机连接； 3、电调的信号线与接收机连接。 电调一般有电源输出功能，即在信号线的正负极之间，有5V左右的电压输出，通过信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。 电调实物 无刷电机 正反螺旋浆 对外接口 2、姿态探测部分 采用传感器为磁阻传感器HMC5883L、 6轴运动处理传感器MPU6050 、数字气压传感器BMP085，通过以上传感器对飞行器的实时姿态信息进行采集。 所有传感器都采用IIC总线通讯，占用处理器端口资源少，通讯接口简单 磁阻传感器HMC5883L 采用霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁