2023年四旋翼自主飞行器系统.doc

四旋翼自主飞行器系统四旋翼自主飞行器系统 胡琴 施雅 陈嘉聪 邢洋【摘 要】四旋翼飞行器是一种外形新颖，性能优越的垂直起降飞行器，具有结构简单、操作灵活等特点，在灾区救援，军事运输上有重要价值，越来越被人们所关注。本系统利用 R5F100LEA 单片机作为主控芯片，配合 MPU6050 陀螺仪控制控制飞行器姿态，使其能稳定悬停.同时采用摄像头循黑线并检测黑圆区域确定着陆位置，而超声波测距模块也保证了飞行器处于指定的高度。【关键词】四旋；飞行器；飞行姿态；控制 1.系统方案论证与比较 方案一：利用 R5F100LEA 单片机配合 MPU6050 陀螺仪控制控制飞行器姿态，使其能稳定悬停，同时采用摄像头循黑线到达目的地。方案二：通过 MPU6050 控制飞行器姿态，采用 GPS 定位，引导飞行器到达预定位置。方案三：利用 R5F100LEA 单片机配合 MPU6050 陀螺仪控制控制飞行器姿态，使飞行器稳定悬浮且无自转，然后通过软件调试飞行器走直线并通过延时程序控制飞行器降落。方案一采用摄像头循黑线，程序设计较复杂，但可行性高，且具有一定抗干扰能力；方案二中 GPS 信号受环境影响，定位精度差；方案三软件调试任务大，且不具抗干扰能力，可行性差。综合考虑，采用方案一。2.方案设计 四旋翼飞行器结构形式如图 1 所示，电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时，电机2 和电机 4 顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时，电机 2 和电机 4 顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。图 1 飞行器运动控制 3.电路与程序设计 3.1 单元模块 3.1.1 飞行路线控制模块 方案一：利用摄像头对地面信息进行采样，采集黑线信息，通过摄像头使单片机控制飞行器循黑线行进。优点是精度高，实时性强；缺点是控制较为复杂。方案二：采用 GPS 定位系统确定起飞点 A 和着陆点 B，引导飞行器从起飞点 A任意路径到达着陆点 B。优点是稳定性高，缺点是室内 GPS 定位精度低。方案三：采用电子罗盘 HMC5883，实时调整飞行方向，使飞行器沿直线行进。优点是精度高，实时性强；缺点是只能控制飞行器直线飞行，无法检测着陆点 B，性价比低。经比较，方案一可行性好，性价比高，采用方案一。3.1.2 飞行姿态控制模块 方案一：在每个飞行器轴上安装一个倾角传感器，通过四个倾斜角配合 PID 算法时单片机能控制飞行器平衡。优点是数据精度高，采集稳定；缺点是性价比低。方案二：采用一个 MPU6050 陀螺仪采集三维空间的飞行器倾斜角，加速度，角速度，在配合相应 PID 算法，控制飞行器平衡。优点是数据采集快，数据全面；缺点是控制复杂。处于飞行器载重和性价比考虑，选择方案二。3.1.3 投拾铁片模块 方案一：利用磁铁对铁有较强吸力的特性来拾取贴片，同时在铁片和磁铁之间用一层挡板隔开，并且挡板的一边连接在一个电机转轴上。投掷贴片时转动电机，电机带动挡板旋转，挡板则带动铁片远离磁铁有效磁力范围，使铁片掉落。优点：可靠性强，稳定；缺点：电机和磁铁重量大。方案二：采用电磁铁，在拾取铁片时给电磁铁通电，产生磁性吸引铁片，投放时，关断电磁铁电流，磁力消失，铁片掉落。优点：控制方便，可靠性高，重量轻；缺点：需要强磁力时，功耗大，重量大。低磁力时，铁片吸附不紧易脱落。综合考虑，选方案二。3.1.4 电机选择模块 方案一：采用四个直流电机做螺旋桨的动力部分。优点：价格便宜；缺点：转速低，提供升力小。方案二：采用四个无刷直流电机做螺旋桨的动力部分。优点：转速快，提供升力大，控制精确，性价比高；缺点：价格高，需专用驱动模块。由于飞行器有一定载重能力，需要较大升力，所以选用方案一。3.1.5 飞行高度检测模块 方案一：利用激光测距传感器测量飞行器飞行高度。优点：精度高，抗干扰能力强；缺点：性价比低，体积和重量大。方案二：利用超声波测距传感器测量飞行器飞行高度。优点：性价比高，抗干扰能力强。经比较，超声波传感器在精度上已经能很好的满足系统需求，且重量和体积较小，所以选择方案二。3.2 系统原理框图 根据以上分析，系统原理如下图 2 所示：图 2 系统整体框图 3.3 单元模块电路 飞行器驱动电路如下图 3 所示：图 3 飞行器驱动电路 电池 12V 输出转 5V 为单片机供电如下图 4 所示：图 4 12V 转 5V 电路图 4.程序设计 微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度（位置与姿态）和 4 个控制输入（旋翼转速）的欠驱动系统。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系（俯仰/横滚直接引起机体向前后/左右移动），如果能精确控制飞行器姿态，则采用 PID 控制律就足以实现其位置与速度控制。图 5 程序流程图 5.测试方案与测试结果 5.1 测试方法 a.一键式起飞，记录飞行器由 A 区到达 B 区的时间 t1。b.一键式起飞，记录飞行器由 B 区到达 A 区的时间 t2。c.一键式起飞，飞行器拾取铁片，从示高线上方由 A 区飞到 B 区上空投放铁片，并返回 A 区降落.记录这段飞行的时间 t3（最多允许测试两次）。5.2 测试结果 以上测试结果如下表 1 所示：表 1 测试结果 5.3 测试结果分析 飞行器能较好的完成由 A 区到 B 区，或者 B 区到 A 区，拾取/投放铁片等动作，且飞行速度快。但由于飞行器处于动态平衡，会在小范围内颤动，导致铁片在空中投掷后落点无法准确控制。科【参考文献】1清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.2全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选M.北京：北京理工大学出版社，2003.3李俊.四旋翼飞行器的动力学建模及 PID 控制J.辽宁：辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，31（1）：114-117.4岳基隆.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析J北京：电光与控制，2010，17（10）：46-52.5杨明志.四旋翼微型飞行器控制系统设计J.北京：计算机测量与控制，2008，16（4）：485-490.