【正文】 ll walks of life. As used herein, the ordinary Quadrotor aircraft, plus Quadrotor height sensor to achieve autonomous control. Using cheap ponents of a Quadrotor only attitude stabilization feature Quadrotor aircraft, sensors and peripherals through a high degree of access to and control algorithm for automatic set high. By expanding the control panel, the use of filtering algorithm is applied to obtain on a Quadrotor ultrasonic sensor, automatically controlled using PID control Quadrotor throttle output. The Quadrotor capable of indoor and outdoor lowaltitude, varied terrain of the site, the use of lowcost autonomous controllers highly precise control of constant height relative to the ground. Key word: Quadrotor ultrasonic sensor PID control automatic control北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目錄 摘 要 ................................................................. I Abstract .............................................................. II 引 言 ................................................................ 1 1 四旋翼飛行器 系統(tǒng)方案的確定 ........................................... 2 ........................................ 2 的基本組成 .............................................. 2 arduino 的高度自主控制系統(tǒng) ....................................... 3 .................................. 3 超聲波 傳感器的高度自主控制系統(tǒng) ................................ 4 ............................................ 5 .......................................... 6 2 四旋翼飛行器硬件設(shè)計(jì) ................................................. 7 ............................................................ 7 I/O 分配表 ......................................................... 10 原理圖 ......................................................... 11 ....................................................... 12 3 控制系統(tǒng) 的軟件設(shè)計(jì) .................................................. 13 ....................................................... 13 器的控制流程及控制功能 ................................... 15 ......................................................... 16 PID 控制程序分析 ................................................... 17 ....................................................... 18 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 4 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 ...................................................... 19 硬 件調(diào)試 ....................................................... 19 ....................................................... 21 ..................................... 24 四旋翼飛行器 高度自主控制系統(tǒng) ...................................... 25 結(jié) 論 ............................................................... 26 致 謝 ............................................................... 28 參考文獻(xiàn) .............................................................. 29 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 引 言 近年來(lái)，多旋翼飛行器 被大量的使用并受到 各業(yè)的重視和關(guān)注 ,多旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)非常新穎、操控性能 穩(wěn)定 簡(jiǎn)單 、 可 以 垂直起降的飛行器 。本文使用普通的四旋翼 飛行器 ，外加傳感器實(shí)現(xiàn)四旋翼的高度自主 控制。利用廉價(jià)的四旋翼組件組成一個(gè)只有姿態(tài)穩(wěn)定功能的四旋翼飛行器，通過(guò)外設(shè)的傳感器和高度獲取和控制算法， 實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)的定高。其 帶負(fù)載能力強(qiáng) 、飛行范圍廣 、 留空續(xù)航時(shí)間長(zhǎng) 等特點(diǎn)，具有很高的軍事 研究?jī)r(jià)值 和民用價(jià)值 ， 現(xiàn)如今已 經(jīng) 走入 了人們的日常生活中，被廣泛的運(yùn) 用。四旋翼的大負(fù)載能力和長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航能力在快遞行業(yè)和農(nóng)業(yè)上也得到 了很大的利用， GPS 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器 的精確定位，可以不需要人工遙控操作，就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的飛行路線和軌跡。本文通過(guò)高度傳感器測(cè)量高度并使用嵌入接收與飛控之間的控制板來(lái)控制飛行器當(dāng)前高度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定高，當(dāng)飛行器 遇到突起或坡道時(shí)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)地面位置的高度保持。 本課題以四旋翼為平臺(tái)設(shè)計(jì)飛行高度自主控制的飛行器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行器能夠在特定高度范圍里進(jìn)行自主的控制功 能 ， 并且飛行器的飛行高度可以由使用者自行設(shè)定。 四旋翼飛行器需要以下幾項(xiàng)設(shè)備才能使其飛行和工作：機(jī)架，飛控，電機(jī)， 電調(diào)，電池，螺旋槳，接收機(jī)，遙控器。由機(jī)身延伸出來(lái) 4 個(gè)機(jī)臂，在其末端用于放置電機(jī)。而運(yùn)用最多的是碳纖維材質(zhì)的機(jī)架，碳纖維具有超強(qiáng)的剛性和硬度，不易變形，最重要的是四旋翼飛行器 機(jī)架 飛控 電機(jī) 電調(diào) 電池 遙控器 接收機(jī) 螺旋槳 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 重量非常輕。電子調(diào)速器是無(wú)刷電機(jī)必不可少的成 分，根據(jù)電機(jī)的輸出電流大小，選擇不同型號(hào)的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將輸入的直流電轉(zhuǎn)化成 3 相交流電輸出給電機(jī)。 四旋翼飛行器的控制核心是飛控，也是飛行器的大腦。飛控通過(guò)接收接收機(jī)的控制信號(hào)，與飛控傳感器得到需要修正的信號(hào)相互融合，分別輸出給每顆電機(jī)不同的信號(hào)傳給電子調(diào)速器，再由電子調(diào)速器來(lái)輸出不同大小的電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到四旋翼的預(yù)定姿態(tài)。高度傳感器使用激光傳感器 來(lái)測(cè)量，測(cè)量到的高度信號(hào)傳輸給控制器，通過(guò)當(dāng)前高度和預(yù)定高度的變化輸出油門的大小，來(lái)自動(dòng)控制高度的改變 （圖 ） ?？刂破髯鳛橥卣骨度虢邮諜C(jī)與飛控之間，可在手動(dòng)與自動(dòng)模式切換，控制油門大小。自動(dòng)模式下，控制器可由收到的當(dāng)前高度和給定高度做比較，來(lái)調(diào)整油門的大小自動(dòng)輸出給飛控來(lái)進(jìn)行控制 ， 而手動(dòng)模式下，控制器只需將接收機(jī)的油門信號(hào)原封不動(dòng)輸出給飛控即可。激光傳感器測(cè)量高度是直線測(cè)量，只針對(duì)地面的一點(diǎn)， 激光傳感器在使用時(shí)必須垂直與地面才能做到測(cè)量精確，而飛行器在姿態(tài)改變時(shí)會(huì)傾斜，激光傳感器也會(huì)傾斜，導(dǎo)致激光與地面產(chǎn)生偏角，測(cè)量精度嚴(yán)重下降。 通過(guò) 運(yùn)用外部擴(kuò)展的方法的在信號(hào)回路上進(jìn)行處理 可以 實(shí)現(xiàn)定高的功能 ， 由于 設(shè)計(jì)所需空間較小，而安裝所需設(shè)備較多，所以選型需要偏小的飛行器。 四旋翼高度自主控制系統(tǒng)小結(jié) 基于四旋翼飛行器的高度自主控制系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器作為高度測(cè)量裝置，控制板嵌入飛控與接收機(jī)之間，通過(guò)手動(dòng)自動(dòng)模式切換實(shí)現(xiàn)油門的手動(dòng)控制與自主定高控制。雖然四旋翼無(wú)人機(jī)有各種尺寸和不同材質(zhì)可供選擇，但必須保證擁有足夠的負(fù)重能力、較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，小巧的外形和輕盈的機(jī)身。 圖 QAV210機(jī)架 結(jié)合大部分 210mm 軸距的四旋翼飛行器資料， 根據(jù)設(shè)備總重， 起飛重量大致在450g 左右 ， 所以，四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力選用型號(hào)為 銀燕 MT1806 KV2280 無(wú)刷電機(jī) （圖） 。 電子調(diào)速器選用銀燕的 12A無(wú)刷電調(diào) （圖 ）， 此電調(diào) 油門線性極好 ， 反應(yīng)迅速 ， 具有低壓保護(hù) ，過(guò)熱保護(hù) ， 信號(hào)丟失多重保護(hù)功能 。鋰電池具有能量比高，壽命長(zhǎng)，額定電壓高，放電能力強(qiáng)，自放電率很低，重量輕，可快速充電等優(yōu)異的性能 ， 所以，為此選擇 3S1300mAh25C 作為四旋翼飛行器的供電裝置。 碳 槳 由于碳的材料原因 ， 決定了它有優(yōu)異的硬度和合適的 槳 型 ， 因?yàn)闈{型原因所以碳 槳 效率優(yōu)于木 槳 ， 碳槳的硬度高，不變形，效率高，是大多數(shù)航拍多軸的選擇。 該遙控器具有 14 通道，每個(gè)通道可單獨(dú)設(shè)置。 圖 CC3D mini飛控 超聲波傳感器選用 HCSR04 傳感器 （圖 ）， 此型號(hào)傳感器 性能穩(wěn)定，測(cè) 量 距離精確。 圖 超聲波傳感器 在觸發(fā)超聲波測(cè)量距離的時(shí)候 ，提供一個(gè) 10us 的脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊內(nèi)部發(fā)出北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 8個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)波。 控制 板選用了 Arduino2560 開發(fā)板 （圖 ） 。供電部份可選擇由 USB直接提供電源，或者 外部 5V 供電 。測(cè)量高度的方法需要控制器發(fā)出測(cè)量信號(hào)，和接收到的高度信號(hào)反饋給控制器，所以為 1個(gè)輸入和 1個(gè)輸出 。接收機(jī)的俯仰，偏航，滾轉(zhuǎn)通道分別連接在飛控的俯仰，偏航和滾轉(zhuǎn)通道上，供電由飛控輸出5V 電 壓。選用 Arduino2560 開發(fā)板作為高度控制系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)， 具有合 適的PWM 輸