四轴飞行器结题报告

学校名称：

队长姓名：

队员姓名：

指导教师姓名：2013年9月6日

摘要

本次比赛我们需要很好地控制飞行器，让它自主完成比赛应该完成的任务。

本文的工作主要针对微型四旋翼无人飞行器控制系统的设计与实现问题展开。首先制作微型四旋翼无人飞行器实验平台，其次设计姿态检测算法，然后建立数学模型并设计姿态控制器和位置控制器，最后通过实验对本文设计的姿态控制器进行验证。设计机型设计全部由小组成员设计并制作，部分元件从网上购得，运用RL78/G13作为主控芯片，自行设计算法对飞行器进行，升降，俯仰，横滚，偏航等姿态控制。并可以自行起飞实现无人控制的自主四轴飞行器。

关键字：四旋翼无人飞行器、姿态控制、位置控制

目录

第1章设计任务.................................................................................... 错误！未定义书签。

1.1 研究背景与目的........................................................................ 错误！未定义书签。

1.2

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1.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。第2章方案论证.................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。

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2.2

........................................................................................................... 错误！未定义书签。第3章理论分析与计算........................................................................ 错误！未定义书签。

........................................................................................................... 错误！未定义书签。第4章测试结果与误差分析................................................................ 错误！未定义书签。

4.1...................................................................................................... 错误！未定义书签。

4.2...................................................................................................... 错误！未定义书签。

4.3...................................................................................................... 错误！未定义书签。

4.4

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........................................................................................................... 错误！未定义书签。第5章结论心得体会............................................................................ 错误！未定义书签。

5.1 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。.................................................................................................................. 错误！未定义书签。

2设计任务：

基本要求

（1）四旋翼自主飞行器（下简称飞行器摆放在图1所示的A区，一键式

启动飞行器起飞；飞向 B 区，在 B 区降落并停机；区降落并停机；飞行时间不大于45s 。

（2）飞行器摆放在B区，一键式启动飞行器起；飞向A区，在A区降落并停机；飞行时间不大于45s 。

发挥部分

（1）飞行器摆放在A区，飞行器下面摆放一薄铁片，一键式启动，飞行器拾取薄铁片并起飞。

（2）飞行器携带薄铁片从示高线上方飞向B区，并在空中将薄铁片投放到B区；飞行器从示高线上方返回A区，在A区降落并停机。

（3）以上往返飞行时间不大于30s。

（4）其他。

3飞行器简介

四旋翼结构被认为是一种最简单和最直观的稳定控制形式。但由于这种形式必须同时协调控制四个旋翼的状态参数，这对驾驶员认为操纵来说是一件非常困难的事，所以该方案始终没有真正在大型直升机设计中被采用。这里四旋翼飞行器重新考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变距控制虽然设计精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法再小型四旋翼飞行器设计中应用。另外，四旋翼飞行器的旋翼效率相对很低，从单个旋翼上增加拉力的空间是非常有限的，所以采用多旋翼结构形式无疑是一种提高四旋翼飞行器负载能力的最有效手段之一。至于四旋翼结构存在控制量较多的问题，则有望通过设计自动飞行控制系统来解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼 1 和旋翼 3 逆时针旋转，旋翼 2 和旋翼 4 顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。

4设计方案：

四轴飞行器与普通的飞行器飞行原理不同，是通过调节四个电机，转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要一种能够长期保稳定的控制方法。这里我们选用PID控制算法对四旋翼的四个螺旋桨的输出进行控制。利用MPU-6050进行采集当前环境的三轴加速度，三轴角速度。由MPU-6050的参数介绍可知：MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷。

通过此方案可以大大节省传感器所占用空间，及采集传感器单片机所用串口等，不过有优点同样存在缺点过小的体积采集大量的值，使采集精度不能保证，采集的数据采用iic双线总线与RL78/G13单片机进行通讯在短时间传输的数据量过大，若速度过大会使单片机因为处理速度不够而发生死机，复位等问题。为此需要大量测试解决采集数据，处理数据，控制等时间的分配问题。

通过MPU6050采集的陀螺仪和加速度数据进行姿态控制使飞行器在有外部干扰的情况下依然保持四桨向上的的直立姿态保持飞行，这是算法所要达到的最终结果。当系统运行后，先进行系统初始化，包括定时器、中断、串口、传感器的初始化。传感器测量数据，经转化后读入程序中。根据读入的数据计算出当前的飞行器姿态。读取控制信号，并且计算出控制需要的目标姿态。比较实际姿态与目标姿态，利用PD算法计算出每个电机的调整量，根据计算出的调整量来调整单片机的PWM模块，使PWM模块产生的PWM波的占空比发生变化，进而调整电机的转速，从而调整了飞行器的姿态。系统通过以上的循环实现了对飞行器姿态的动态控制。

5四旋翼控制：

四旋翼飞行器在空间共有 6 个自由度（分别沿 3 个坐标轴作平移和旋转动作），这6 个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是：（1）垂直

运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动；（4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动。在图3.2 中，电机 1 和电机 3 作逆时针旋转，电机 2 和电机 4 作顺时针旋转，规定沿x 轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。

垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上

升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z 轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

俯仰运动：在图（b）中，电机 1 的转速上升，电机 3 的转速下降，电机2、电机 4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼 1 与旋翼 3 转速该变量的大小应相等。由于旋翼 1 的升力上升，旋翼3 的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y 轴旋转（方向如图所示），同理，当电机 1 的转速下降，电机 3 的转速上升，机身便绕y 轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

（3）偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。由于在比赛中此种运动方式有其需要活动空间较大的局限，所以并不被采用。

（4）前后运动：要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动，必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中，增加电机 3 转速，使拉力增大，相应减小电机 1 转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b 的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的

前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图 b 图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。

6位置控制

位置控制四轴飞行器主要由超声波模块完成

模块使用方法简单工作电压：暨只要给模块一个10us左右的高电平即可在模块内部自动生成8个40khz的方波进行测距，收到回波后的高电平时间通过比例计算即可得到相应的距离测量值使用时绝对不允许超过5.5V 功耗电流：最小1mA，最大20mA，测量范围1cm~5m。由此看得作为高度测量元件在环境恶劣的室外，超声波依然可以保持较为准确的测量稳定性作为稳定的飞行平台的高度测量模块较为合适。

位置控制方案二：

CCD摄像头循迹