【正文】 DSP 來承擔，而不單獨使用其他的芯片實現(xiàn)。 接下來 ，分別介紹了導航系統(tǒng)、控制算法、通信系統(tǒng)的設(shè)計思路和部分硬件器材的選型準則。 首先 進行 控制 系統(tǒng)的硬件選型， 在此基礎(chǔ)上進行 核心電路的設(shè)計 ， 最后部分 簡要 介紹 實際 電路 的 抗干擾措施和 PCB 布局的注意事項。因此 ， 此類傳感器的選型應(yīng)當注重線性度和抗干擾性。 /S。150 s/? ； 標度因子 mV/ s/? （ 25 C? ） 線性度 %FS 帶寬 40Hz（ 3db） 重量 g 供電電壓 ~ 供電電流 8mA 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 圖 ADXRS150陀螺小系統(tǒng)板 （ 2）加速度傳感器 加速度傳感器 起到感應(yīng)飛機三個軸向的線加速 度 的作用，目前市場上產(chǎn)品種類繁多。同時有超低功耗、高靈敏度（ 800mV/g ）設(shè)計和高沖擊（ 5000g）適應(yīng)性等優(yōu)點。因此轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率 是 選型的主要考慮因素。 A/D 的采樣頻率為控制頻率的 20 倍左右，達到 2KHz。 以加速度計為例，假設(shè)量程為 ? ，其靈敏度為 800mV/g。根據(jù)式（ ）和式（ ） 0tV adt at??? () 2012ts vdt at??? () 因此速度誤差 V=（ ） ? ? t， S=（ ） ? ? t? t/2。 數(shù)字傳感器 （ 1）數(shù)字羅盤 在慣性導航算法中， 導航參數(shù) 會隨著 傳感器的測量誤差 積累 而發(fā)散 ， 因而不能滿 足長時間自主飛行的 需要。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 表 數(shù)字羅盤主要 參數(shù) 表 航 向 精度 水平： 176。 ?30 ~177。 ?60 精度 ?0 ~177。 ?30 ~177。 電氣參數(shù) 輸入電壓 V 輸入電流 22 mA(典型 ) 24 mA(最大 ) 接 口 UART 2400~19200 Baud 更新 8 Hz 圖 hmr3300數(shù)字羅盤 （ 2）高度 傳感器 如 節(jié)所述，四旋翼無人直升機 飛行 不高，對精度的要求也不是很高。通過簡單的 計 算 ， 便可以 求 出聲納探頭到障礙物的距離。該模塊有以下優(yōu)點：多種可選通信接口（ RS23TTL、 RS485），多種數(shù)據(jù)格式和傳輸速率， 公開 的數(shù)據(jù)接口，收發(fā)一體半雙工工作模式，采用單片射頻集成電路及單片 MCU， 外圍電路少，功耗低，可靠性高等 。電機型號為 1225FE33，體積 1210 ，重 12g，具體指標見表 。 具體指標見表 。 F28335 整合了 C28x 處理單元 和浮點處理單元 [34]的構(gòu)架 (C28x+FPU)。 其主要特征如表 所示。系統(tǒng)機架是在華科爾四旋翼直升機上改造的，包 含了機體、電機、減速齒輪 、 螺旋槳和電機驅(qū)動等部分 ，鋰電池占 26%， 這兩部分 所占比例 太大 。 DSP 最小系設(shè)計 DSP 最小系統(tǒng) [37]包括供電系統(tǒng)、時鐘與復位電路 、 JTAG 仿真接 口 和相應(yīng)的外圍電路 。 （ 1） —5V 電源芯片選擇。 78M05 具有熱保護、短路保護等功能， 電路 設(shè) 計 如圖 所示 。 一般應(yīng)先對外設(shè)加電，然后對內(nèi)核加電，同時要求外設(shè)電壓不超過內(nèi)核電壓 2V。TPS76D318 的 電路 如圖 所示 圖 TPS76D318電路 設(shè)計圖 （。因此選用 TI 公司 DSP 專用供電芯片，考慮到 DSP 系統(tǒng) 功耗很大，因此選用 TPS76D318[39]。 圖 78M05電路 設(shè)計圖 （ 2） 5V—— 電源芯片選擇 系統(tǒng)頻率 100MHz 時， F28335 引腳供電如表 所示。表 為 系統(tǒng)各核心 器件的芯 片 的 供電 參數(shù) 表 控制系統(tǒng)各核心 元器件 供電 統(tǒng)計 表 器件名 電流（ mA） 電壓 （ V） 個數(shù) 合計電流 (mA) 陀螺儀 8 5 3 15 數(shù)字羅盤 24 5 1 24 加速度計 1 無線模塊 12 5 1 12 超聲傳感器 =30 5 1 30 DSP 最小系統(tǒng) 約 200 總計 由上表可知， 系統(tǒng) 各 核心元器件電流 總 消耗接近 300mA， 選型時 留有至少 50%的裕量。 硬 件系統(tǒng)各部分對供電需求各不相同： DSP 的核心電壓需要 （ 100MHz）碩士論文 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 19 供電、 IO 需要 供電； 數(shù)字羅盤、高度聲納、無線模塊需要 5V 供電； 加速度計需要 模擬供電， 陀螺儀需要 5V 模擬供電； 電機 及相應(yīng)驅(qū)動 芯片需要 供電。 由 以上結(jié)論可以看出，想要進一步減少 機體重 量 、 提高 有效載荷可以從機架上采取措施。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 硬件系統(tǒng)重量分 布 硬件 系統(tǒng)各部分的 質(zhì) 量如表 所示， 各部分重量所占比例如圖 所示。能在一個指令周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址讀寫、修改操作。 （ 2）導航解算、數(shù) 字濾波等需要大量的浮點運算（除法、開方、正弦余弦 、 FIR濾波 等），因此要求處理器具有一定的浮點處理能力。 由表 可知，四旋翼無人機的的電機的啟動電流達到1800mA，另外電機的工作電壓為 11V，因此電 機驅(qū)動芯片選用飛思卡爾的電機專用芯片 MC33886。 圖 無線通訊模塊 表 KYL610 主要參數(shù) 電源 輸出功率 發(fā)射電流 接受 靈敏度 外型尺寸 —5V =50mW 20mA 108dBm(9600bps) 40mm 24mm 6mm 傳輸距離 200m 以上 (BER=1059600bps,標配 10cm 天線，空曠地，天線高度 )；400m 以上 (BER=1051200bps,標配 10cm 天線，空曠地，天線高度 )； 推進組 及電機驅(qū)動 選型 （ 1）四旋翼 無人 直升機的推進組由電機、減速齒輪 和 螺旋槳組成（圖 ）。 控制 系統(tǒng)要求 無線通訊誤碼率低、實 時性高，保證傳輸信息的準確性和及時性。 它 與國外的同類產(chǎn)品SRF05 相比，性能接近但是價格卻只有 SRF05 的 四分之一 。 deg176。 176。 分辨率 176。 ?30 ： 176。 它采用 UART 協(xié)議通信，經(jīng)過 轉(zhuǎn)換 電路之后可以和 DSP 的 SCI 口通信。 TMS320F28x DSC’ s 有一個 16 通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器 [34]，可以讓設(shè)計者像使用多種嵌入式設(shè)備一樣，直接把模擬信號連接到處理芯片上。則對于 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 1 個 LSB 對應(yīng)的電壓 ，假設(shè) A/D轉(zhuǎn)換芯片的失調(diào)誤差和增益誤差之和最大為 M LSB。因為 A/D 的轉(zhuǎn)換芯片只有一個 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，則 8 路轉(zhuǎn)換就需要轉(zhuǎn)換芯片至少 的轉(zhuǎn)換速率，留有 20%裕量 ， 就要求芯片的轉(zhuǎn)換速率 2Mhz。由于這個限制，更高的控制頻率對于普通的電機是不合適的。 模擬傳感器的輸出有兩種 電平 信號：加速度 計 輸出 范圍是 03V，陀螺儀輸出 范圍是 05V。根據(jù)傳感器選型原則，加 速度傳感器選用飛思卡爾的 MMA7260Q 三軸加速度計 [31](圖 )。主要性能指標如表 所示。因此 ， 精度和穩(wěn)定性是作為陀螺儀選 型 的重要原則。 因此 ，總的來說 傳感器選型應(yīng)遵循以下原則： （ 1）合適的量程和分辨率（ 2）線性度好（ 3）低功耗（ 4）小體積 /小重量（ 5）高靈敏度（ 6）高穩(wěn)定性、抗沖擊（ 7）外圍電路簡單（ 8）環(huán)境適應(yīng)性好（ 9）低成本 慣性元器件 慣性傳感器包含加速度計和陀螺儀，負責測量四旋翼無人機的運 動信息。 碩士論文 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 11 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng) 硬件部分主要包括 四旋翼無人機平臺 、 控制計算機模塊 、 慣性測量單元 、 無線通信模塊 、 高度傳感器模塊 和 電源模塊 等。 D S P T M S F 2 8 3 3 5控 制 器I M UA D 轉(zhuǎn) 換超 聲 傳 感 器G P I OC A P 1 捕 捉 口電 機 組P W M1 1 V5 V電 源 模 塊數(shù) 字 羅 盤S C I A無 線 通 信 模 塊S C I BJ T A G時 鐘 、 復 位 電 路 圖 控制系統(tǒng)硬件組成 小結(jié) 本章介紹 控制 了 系統(tǒng) 總體設(shè)計。因此 本文 選用 DSP 作為核心控制器。為了給系統(tǒng)提供足夠的能量，選用 華科爾四旋翼無人機模型自帶的800mA/h 鋰電池為 整個 系統(tǒng)供電。如果系統(tǒng)需要更高的傳輸速率 ， 可以使用無線局域網(wǎng)作為通信系統(tǒng)。無線通信有兩個重要的指標，就是傳輸距離和傳輸速度。建立系統(tǒng)模型之后，還必須知道系統(tǒng)模型的各個參數(shù) 的大小，涉及模型的參數(shù)辨識問題。雖然 高度控制不是 本文的 重點，但是要想離地飛行 ， 控制器 必須有高度信息。最常用的導航 方法是慣性導航， 該算法 所需要的信息 量 包 括 載體三個軸向的加速度和三個軸向的 角速度 。 （ 5）控制模塊：控制器的軟件核心，包含 控制 系統(tǒng)主要算法。 （ 2）傳感 器數(shù)據(jù)采集模塊：主要功能是 獲取傳感器發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。 （ 5）數(shù)據(jù)處理模塊處于整個系統(tǒng)的中心位置，在控制器干預下 (或自動 )完成數(shù)據(jù)的 轉(zhuǎn)換，信息的提取，參數(shù)的解算等功能。它不斷和數(shù)據(jù)處理模塊交換信息： 獲取系統(tǒng)控制所需的信息，發(fā)出控制指令。各部分主要功能介紹如下。 其中 ， 飛行高度在 5 米之內(nèi)， 四旋翼無人直升機的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角 控制范圍是 ? 30 度，航向角的控制范圍是 0 到 360 度。 第七章是系統(tǒng)調(diào)試，介紹了 DSP 最小系統(tǒng)和 控制器各 元器件的調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)果 ，最后給出了控制系統(tǒng)調(diào)試的過程和調(diào)試結(jié)果 。 第三章為硬件 子 系統(tǒng)設(shè)計，介紹了元器件的選型原則和 選型結(jié)果； 并且給出了 DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計步驟和電路 抗干擾的措施。MIT 的 G. Gowtham 在對編隊建模時考慮了 生物群組如鳥群、魚群、昆蟲和動物群在改變方向、避免碰撞和環(huán)境阻礙時的合作行為。例如瑞士聯(lián)邦理工學院的 OS4 已經(jīng)分別用 PID[23] 、 LQ[23] 、 backstepping[5][24] 、Sliding – mode[5]實現(xiàn)了 四旋翼 飛行器 的 姿態(tài)控制。 法國和阿爾及利亞的學者在文 獻 [22]給出了四旋翼直升機動態(tài)建模和用實驗確定參數(shù)的方法。 四旋翼直升機研究熱點 四旋翼直升機目 前的研究熱點可以分為以下幾點：系統(tǒng)的分析與建模、系統(tǒng)姿態(tài)控制和編隊飛行等等。 （ a） OS4I （ b） OS4II 圖 OS4I和 OS4II 圖 澳大利亞國立大學的 X4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對于四旋翼機的研究主要集中在幾所高校之中。加拿大雷克海德大學（ Lakehead University）的 Tayebi 和 McGilvray 證明了使用四旋翼設(shè)計可以實現(xiàn)穩(wěn)定 飛行 [18]。 20 世 紀 80 年代 隨著微小型飛機新型材料、微機電（ MEMS）、微慣導（ MIMU）的產(chǎn)生和飛行控制理論的 發(fā)展 ，微小型飛機得到迅速發(fā)展。 1 緒論 碩士論文 四旋翼直升機有一段漫長而又斷斷續(xù)續(xù)的歷史 [3][4]。由于對稱性，在機體 Y 方向也會產(chǎn)生相似的作用。 而 傳統(tǒng)直升機必 須加一個尾翼用來平衡旋翼扭矩，這個尾翼對向上的推力無幫助作用， 浪費了能量。 碩士論文 小型四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 緒論 引言 與固定翼飛機相比，旋翼機具有垂直起降的能力。s progress, unmanned four rotor helicopter obtained more and more attention. The main content of this paper is to design the controller of unmanned four rotor helicopter. The control system is divided in six independent modules