R5F100LE控制的四旋翼自主飞行器,含原理图、程序
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其中， xd , yd , zd 为航姿参考系统测量到的加速度积分得到的位移量。
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1 系统方案论证与控制方案的选择
根据题目Biblioteka Baidu求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的 比较。
1.1 地面黑线检测传感器
探测地面黑线的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白色地面对光的反射 系数不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑线。可实现的方案有： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实际使用时， 容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦 程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高高度发光二极管降 低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。 方案二：红外避障传感器 E18-D80NK。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发 射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。透镜的 使用，也使得这款传感器最远可以检测 80 厘米距离。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾 部的电位器旋钮进行调节。并且具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、 使用方便等特点。 比较以上二种方案，方案二占有很大优势，不但能准确完成测量，而且能避免电路的复 杂性，因此选择方案二。
式中 [ x
式 1-1
y
z ]T 为四旋翼飞行器在导航坐标系下的线位移， [ x y z ]T 为运动加速度，m
为飞行器质量， , , 分别为机体的偏航角、俯仰角和横滚角，l 为旋翼面中心到四旋翼飞行 器质心的距离，I X , IY , I Z 为轴向惯性主矩。该动力学模型对四旋翼飞行器的真实飞行状态进 行了合理的简化，忽略了空气阻力等对系统运行影响较小的参数，使得飞行控制算法更加简 洁。 2.2 PID 控制算法结构分析 在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置
四旋翼自主飞行器
摘要
系统以 R5F100LE 作为四旋翼自主飞行器控制的核心， 由电源模块、 电机调速控制模块、 传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器 检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF 模块，瑞萨 MCU 综合飞行器模 块和传感器检测模块的信息，通过控制 4 个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞 行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个 PID 控制回路，即 位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确 控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
-3-
控制回路和姿态控制回路。算法结构如图 B-1 所示。
给 定 位 置
xyz
位置控制 姿 态 控 制 电机控制
姿态控制回路 位置控制回路 图 2-1 四旋翼飞行器控制算法结构图
飞 行 器 机 体
使用经典 PID 控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。PID 算法简单可靠，理论体 系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中 具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解。 控制回路包含了 x, y, z 三个控制量，因此设计 3 个独立的 PID 控制器对位移进行控制。根据 PID
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所以选择直流无刷电机作为动力源。
1.3 电机驱动方案的选择与论证
方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻 网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机 的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调 整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命 较 短、可靠性不高。 方案三:采用全桥驱动 PWM 电路。这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状 态，提高使用效率实现电机转速的微调。并且保证了可以简单的方式实现方向控制。 基于上述理论分析，选择方案三。
控制器的原理，设 k p , ki , kd 分别为比例项、积分项和微分项系数，有
x d ) x k p ( x xd ) ki ( x xd )dt kd ( x y d ) y k p ( y yd ) ki ( y yd )dt kd ( y x k p ( z zd ) ki ( z zd )dt kd ( z zd )
1.2 电机的选择与论证
四旋翼无人飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行 器的飞行姿态和位置，与传统直升机通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，达到控制直升机 的目的不同。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。 方案一：直流有刷电机是当前普遍使用的一种直流电机，它的驱动电路简单、控制方法 成熟，但是直流有刷电机使用电刷进行换向，换向时电刷与线圈触电存在机械接触，电机长 时间高速转动使极易因磨损导致电气接触不良等问题，而且有刷电机效率低、力矩小、重量 大，不适合对功率重量比敏感的电动小型飞行器。 方案二：直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法， 消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同 时增强了电机的可靠性。
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目
录
1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 2.2 PID 控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 3.1 飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 6 总结........................................................................................................................................... - 10 附录 A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -
2 四旋翼自主飞行器控制算法设计
2.1 四旋翼飞行器动力学模型 设计的小型四旋翼飞行器适用于室内低速飞行，因此忽略空气阻力的影响。因此，简化 后的飞行器动力学模型为
x u4 (sin cos cos sin sin ) / m y u4 (sin cos sin sin cos ) / m z (u4 cos sin mg ) / m u l / I 1 X u2 l / I Y u3 / I Z
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1 系统方案论证与控制方案的选择
根据题目Biblioteka Baidu求，对该系统的特点及其控制特性进行了分析，进行了几种不同设计方案的 比较。
1.1 地面黑线检测传感器
探测地面黑线的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白色地面对光的反射 系数不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑线。可实现的方案有： 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实际使用时， 容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦 程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高高度发光二极管降 低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。 方案二：红外避障传感器 E18-D80NK。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发 射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。透镜的 使用，也使得这款传感器最远可以检测 80 厘米距离。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾 部的电位器旋钮进行调节。并且具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、 使用方便等特点。 比较以上二种方案，方案二占有很大优势，不但能准确完成测量，而且能避免电路的复 杂性，因此选择方案二。
式中 [ x
式 1-1
y
z ]T 为四旋翼飞行器在导航坐标系下的线位移， [ x y z ]T 为运动加速度，m
为飞行器质量， , , 分别为机体的偏航角、俯仰角和横滚角，l 为旋翼面中心到四旋翼飞行 器质心的距离，I X , IY , I Z 为轴向惯性主矩。该动力学模型对四旋翼飞行器的真实飞行状态进 行了合理的简化，忽略了空气阻力等对系统运行影响较小的参数，使得飞行控制算法更加简 洁。 2.2 PID 控制算法结构分析 在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个控制回路，即位置
四旋翼自主飞行器
摘要
系统以 R5F100LE 作为四旋翼自主飞行器控制的核心， 由电源模块、 电机调速控制模块、 传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器 检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF 模块，瑞萨 MCU 综合飞行器模 块和传感器检测模块的信息，通过控制 4 个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞 行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个 PID 控制回路，即 位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确 控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。
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控制回路和姿态控制回路。算法结构如图 B-1 所示。
给 定 位 置
xyz
位置控制 姿 态 控 制 电机控制
姿态控制回路 位置控制回路 图 2-1 四旋翼飞行器控制算法结构图
飞 行 器 机 体
使用经典 PID 控制算法实现位置控制回路和姿态控制回路。PID 算法简单可靠，理论体 系完备，而且在长期的应用过程中积攒了大量的使用经验，在飞行器位置和姿态控制应用中 具有良好的控制效果和较强的鲁棒性，能提供控制量的较优解。 控制回路包含了 x, y, z 三个控制量，因此设计 3 个独立的 PID 控制器对位移进行控制。根据 PID
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所以选择直流无刷电机作为动力源。
1.3 电机驱动方案的选择与论证
方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻 网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机 的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调 整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命 较 短、可靠性不高。 方案三:采用全桥驱动 PWM 电路。这种驱动的优点是使管子工作在占空比可调的开关状 态，提高使用效率实现电机转速的微调。并且保证了可以简单的方式实现方向控制。 基于上述理论分析，选择方案三。
控制器的原理，设 k p , ki , kd 分别为比例项、积分项和微分项系数，有
x d ) x k p ( x xd ) ki ( x xd )dt kd ( x y d ) y k p ( y yd ) ki ( y yd )dt kd ( y x k p ( z zd ) ki ( z zd )dt kd ( z zd )
1.2 电机的选择与论证
四旋翼无人飞行器是通过控制四个不同无刷直流电机的转速，达到控制四旋翼无人飞行 器的飞行姿态和位置，与传统直升机通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，达到控制直升机 的目的不同。在电机的选型上，主要有直流有刷电机和直流无刷电机两种。 方案一：直流有刷电机是当前普遍使用的一种直流电机，它的驱动电路简单、控制方法 成熟，但是直流有刷电机使用电刷进行换向，换向时电刷与线圈触电存在机械接触，电机长 时间高速转动使极易因磨损导致电气接触不良等问题，而且有刷电机效率低、力矩小、重量 大，不适合对功率重量比敏感的电动小型飞行器。 方案二：直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法， 消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同 时增强了电机的可靠性。
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1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 2.2 PID 控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 3.1 飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 6 总结........................................................................................................................................... - 10 附录 A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -
2 四旋翼自主飞行器控制算法设计
2.1 四旋翼飞行器动力学模型 设计的小型四旋翼飞行器适用于室内低速飞行，因此忽略空气阻力的影响。因此，简化 后的飞行器动力学模型为
x u4 (sin cos cos sin sin ) / m y u4 (sin cos sin sin cos ) / m z (u4 cos sin mg ) / m u l / I 1 X u2 l / I Y u3 / I Z