2013国赛四旋翼飞行器论文 (2).

摘要

本文对四桨碟形飞行器进行了初步的研究和设计。首先，对飞行器各旋翼的升力做了测试，分析了升力产生效率与PWM频率的关系并选择了此样机的最优工作频率，并重点对飞行器进行了硬件和软件的设计。

本飞行器采用R5F100LE单片机为主控制器，通过四元数算法处理传感器MPU6050采集机身平衡信息并进行闭环的PID控制来保持机身的平衡。整个控制系统包括电源模块、角度传感器模块、电子调速模块、超声波测距模块及微处理器模块等。角度传感器和角速率传感模块为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。

本系统经过飞行测试，可以达到设计要求。

关键字：R5F100LE单片机、角度传感、PWM频率、PID控制。

目录

1系统方案 (2)

1.1 电子调速模块的选择 (2)

1.2角度传感模块的论证与选择 (2)

1.3 超声波测距的选择 (3)

1.4 电源的论证与选择 (3)

2系统理论分析与计算 (3)

2.1 控制理论的分析 (3)

2.1.1控制方式 (3)

2.1.2 PID算法 (4)

2.1.3 PID计算 (4)

3电路与程序设计 (4)

3.1电路的设计 (4)

3.1.1系统总体框图 (4)

3.1.2 电机驱动电路 (5)

3.1.3 HC-SR04子系统电路 (6)

3.1.4电源 (6)

3.2程序的设计 (6)

3.2.1程序功能描述 (6)

3.2.2主程序流程图 (6)

4测试方案与测试结果 (7)

4.1测试方案 (7)

4.2 测试条件与仪器 (10)

4.3 测试结果及分析 (10)

4.3.1测试结果(数据) (11)

4.3.2测试分析与结论 (11)

附录1：电路原理图 (12)

附录2：源程序 (14)

四旋翼自主飞行器（）

1系统方案

本系统主要由电子调速模块、角度传感模块、超声波测距模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 电子调速模块的选择

由于飞行器需要强大的动力，普通的电机不适合飞行器的开发，无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，更重要的是无刷电机经常被使用在控制要求比较高，转速比较高的设备上，如航模，精密仪器仪表等对电机转速控制严格，转速达到很高的设备上。所以我们采用A2208型号无刷电机，通过电子调速器根据R5F100LE单片机控制PWM的占空比输出的大小来控制电机，使这个电子调速模块能准确实时的控制电机的转速，来控制飞行器的各项指标。

1.2角度传感模块的论证与选择

方案一：

采用角度传感器：这个模块实际上是加速度传感器，内部是测X,Y,Z轴方向上的三个加速度，然后单片机或者arm通过读取三个加速度值，通过反正切artan 运算来算出角度值。因为是间接得到，所以在外部设备有抖动的状态下误差较大，一般还动过一个陀螺仪得出的角速度值，两者通过卡尔曼滤波融合，得到一个相对抗扰动的角度值。

方案二：

采用陀螺仪mpu6050模块: 陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪的作用是测定加速度的矢量，优点是不受磁场影响。

最终方案：

相比较后，我们认为mpu6050模块较适合飞行器姿态的控制，最终选择方案二。

1.3 超声波测距的选择

我们采用HC-SR04模块进行超声波测距，来控制飞行高度。HC-SR04模块能提供2cm--400cm的非接触式距离感测功能，其基本工作原理为采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平持续的时间*声速（340m/s））/2。基于它的工作原理，我们决定用HC-SR04来采集数据来控制飞行器的飞行高度。

1.4 电源的论证与选择

方案一：

采用铅酸电池：铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

方案二：

采用锂聚合物电池：它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。

相同容量的铅酸电池比锂聚合物电池便宜很多，但重量比锂聚合物电池重很多！而飞行器的载重能力有限，所以最终选择方案二锂聚合物电池。

2系统理论分析与计算

2.1 控制理论的分析

2.1.1控制方式

本次比赛的难点在于如何使飞行器在空中较好的实现平衡控制，然后使其进行巡线飞行和降落。文中所研究的四旋翼结构属于X型分布即螺旋桨M1和M4与M2和M3关于X轴对称螺旋桨M1和M2与M3和M4关于Y轴对称如图1所示对于四旋翼的模型践行简单的数学物理建模。通过陀螺仪返回的留个数据进行四元数拟合处理得到空间欧拉角。然后返回给系统进行闭环PID控制。