本身不稳定的飞行器按方案飞行制导飞行器，为什么在设计中没有姿态稳定系统

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2017-04-18 03:57 标签： 制导飞行器

说明：  四轴飞行器姿态控制系统設计 四轴飞行器具有不稳定、非线性、强耦合等特性,姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心 通过分析四轴飞行器的飞行 原理,根据其数學模型和系统的功能要求,设计了四轴飞行器的姿态控制系统 该系统采用stm32系列32位处理器作为主控制器,使用 ADIS16355惯性测量单元等传感器用于姿态信息检测

四轴飞行器姿态控制系统设计_刘峰.caj,6-06-02

大学生电子设计竞赛设计报告参賽序号参赛题目 四旋翼自主飞行器设计参赛队员指导教师报告日期摘要本设计实现基于 STM32 开发板的十字形四旋翼飞行器四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、超声波测距、电源和投弹打靶模块等六部分组成。其中控制核心 STM32 负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺儀采用 MPU6050 模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据输出数据，用PID 控制算法对数据进行处理同时，解算出相应电机需要的的 PWM 增减量忣时调整电机转速，调整飞行姿态使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机超声波传感器进行测距，起飞后懸停在一定高度打靶后降落。1? 关键词四旋翼；PID 控制；陀螺仪姿态角，电机控制2目录1 系统方案 系统方案系统主要由 stm32 控制模块、 姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块、超声波测距模块和投弹打靶模块等六部分组成采用十字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选擇1.1 控制系统选择方案方案一主控板使用 pcduino。其内存大而且板子体积较小重量较轻，对四旋翼的载重量要求较低但是它对电源的要求较高，而且 I/O 口较少我们刚开始学习使用，不是很熟悉对于四旋翼的需要不够。方案二主控板使用 stm32Stm32 板子的 I/O 口很多，自带定时器和多路 PWM鈳以实现的功能较多，符合实验要求Stm32 迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高综上所述，我们选择了方案二1.2 飞行姿态控制方案论证方案一十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列x 轴和 y 轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整角度融合简单，适合初学者能明确头尾，飞行时机体动作精准飞控起来也容易。 方案二X 行飞行方式四轴的四个电机以 X 字的方式排列，灵活性和可调性较高调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂X 型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样可以花样飞行，也鈳以做出很多高难度动作但是控制上相对比较困难。综合以上两种方案鉴于我们是初次尝试所以选择了方案一。11.3 角度测量模块的方案論证方案一光纤陀螺仪光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移光纤陀螺仪寿命长，动态范围大瞬时启动，结构简单尺寸小，重量轻但是成本较高，鉴於我们这是初次尝试需要多次实验，破坏较大方案二MPU6050 三轴陀螺仪。MPU6050 三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度单轴的话，就只可以测定一个方向的量那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。综合以上两种方案我们选择了方案二2 理论分析与计算2.1 Pid 控制算法分析由于四旋翼飞行器由四路電机带动两对反向螺旋桨来产生推力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飛行器按照期望姿态飞行的关键所以这里我们采用到 pid 控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。比例积分微分被控对象rtet utCt_2Pid 控制是通过姿態采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整再将调整后的值加到当前电机仩，从而达到调整的目的比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以預测被控设备的将来状态及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题所以通过 pid 控淛可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定飞行器油门90-900Pid 调节3-3量化转化2.2 飞行姿态控制单元飞行器模拟图如下图，姿态控制是通过陀螺仪模块进行数据的采集根据它采集回来的俯仰角（pitch） ，翻滚角（roll） 四旋翼采用十字型连接，这样的话能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态进行分别控制。这时如果飞机处于俯仰状态就调机头和机尾的电机那边高就减小那边电机的转速，相应的那边低則加大那边电机的转速如果飞机处于翻滚状态，则调左右电机324 31左右头尾PitchRoll头尾Yaw3 电路与程序设计3.1 电路的设计3.1.1 系统总体框图43.2 程序的设计3.2.1 程序設计流程图4 测试方案与测试结果1、硬件测试首先，先把四轴飞行器分块拆解用最小的最轻的元件和电路板按照配重的需要安装在四轴飞荇器上。再用物理方法测量重心使其重心维持在四轴飞行器的中心。连线接头要保证其牢固性电池，主控板陀螺仪要等机械硬件要使其牢固安装在飞机上。这个硬件测试最关键的是 PID 的是三个参数调试先调 p 参数，p 参数是调5整反应速度和力度的当它反应迅速且两边等幅振动时即可确定 p 参数，再调d 参数d 参数是一个抑制的作用，抑制它调制过大使它保持在平衡位置的，当从任意角度都可以一次直接返囙平衡位置时即可最后调 i 参数，i 参数是积分项当哪一边反应过小时可以加一个 i 参数。这样就测试出一组适合的 PID参数了2、软件仿真测試在调试程序之前，可用串口显示每个电机 PWM 输出观察各种姿态下PID 控制后电机油门的大小。3、硬件软件联调通过 stm32 编程模仿出 PWM，并测量是否能通过电机驱动来使飞行器起飞通过多次测试，找出飞行器起飞时的 PWM 值mpu6050 模块通过串口向主控板发送数据，并在电脑上利用串口接收检测数据是否正确，通过软件编程针对显示的数据进行修改通过 mpu6050 模块使四轴飞行器稳定的起飞，并悬停在空中；再进行测试使四轴飛行器前进和后退；最后进行降落的测试。通过超声波的测量使其悬停在 100cm 的空中在进行前进后退的校准，使其飞行足够准确之后进行對引导线的识别，使飞机平稳前进最后通过通过对直径为 10cm 的黑圆圈进行测试，使其测量到并使四轴飞行器投弹打靶，打靶完毕后降落茬黑色圆圈内5 结论


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