【正文】 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) [1]Vaibhav Ghadiok 超聲波在精度上很 高，但是超聲波模塊受環(huán)境的影響，在溫度和周圍設(shè)備的干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 對四旋翼飛行器自動定高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是一個漫長，復(fù)雜的過程，需要很長時間的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，并且還受到資金，空間和硬件條件限制，未能夠更深入的探索研究，在控制系統(tǒng)中還需要很多方面 加以完善。 本課題的四旋翼控制系統(tǒng)主要選用了 CC3D 飛行控制器， 具有基本的飛行器自穩(wěn)功能， 基于 Arduino 編程環(huán)境的 arduino2560 控制器和 HCSR04 超聲波傳感器。 四旋翼飛行器高度自主控制系統(tǒng) 此飛行器自動定高系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：對自動定高選用了 arduino 控制板進(jìn)行嵌入飛控與接收機(jī)作為油門的控制，簡單有效的實(shí)現(xiàn)飛行器的手動自動切換和自動定高的實(shí)現(xiàn)功能。 上式為 PID 控制算法部分程序， PID 控制中，最關(guān)鍵的是比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)的整定，本項(xiàng)目使用的是工程整定法，就是直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試飛測試。 PID 控制就是為了能在飛行器高度偏離預(yù)定高度時以最快的速度達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。油門的最大值為 1927，最小值為 1094。 圖 遙控器校準(zhǔn) 控制板 軟件調(diào)試 在系統(tǒng)軟件調(diào)試中，需要對各個部件進(jìn)行初步的檢查校準(zhǔn)，確定部件可以正常工作和穩(wěn) 定的數(shù)據(jù)輸出 ， 確保程序能夠正常運(yùn)行，使系統(tǒng)更加安全。 圖 多旋翼飛行器類型選擇 飛控 中具有三軸陀螺儀，三軸加速 度計(jì)和三軸磁力計(jì)這三種傳感器。飛控的初始化需要在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)置 （圖 ） 。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 4 系統(tǒng) 軟硬件調(diào)試 系統(tǒng)硬件調(diào)試 四旋翼飛行器 在起飛前需要進(jìn)行初始化設(shè)置 ， 分為遙控器設(shè)置和飛控校準(zhǔn)初始化設(shè)置。 error 就是此次的高度差， LastError_1 是上一次的高度差， LastError_2是上上次的高度差。 int LastError_2=0。如果高度在 3到 250 之間，則此次高度值有效 ， 并且將上一次高度值與此次高度值進(jìn)行比較，如果差值過大，則此次高度值作廢。 //測量開關(guān)通道輸入的 PWM 值 進(jìn)入手動模式后，讀取油門輸入引腳的 PWM 值并記錄下來，油門值為 THR；測量當(dāng)前高度 H為設(shè)定高度（當(dāng)開關(guān)切換到自動模式后，此高度將作為設(shè)定高度進(jìn)行運(yùn)算，設(shè)定高度即為飛行器懸停的高度）。 為了可以手動完成控制和安全起見，需要有手動控制油門大小和自動控制油門大小兩個控制方式 ， 需要從接收機(jī)端輸出另一通道實(shí)現(xiàn)手動自動的切換功能。分為 4 個不同姿態(tài)通道，使其為 PWM 信號傳送給飛行控制器。 (a) 油門 (b) 升降 偏航 (c) 滾轉(zhuǎn) (d) 偏航 y z x 1 2 3 4 y z x 1 2 3 4 y z x 1 2 3 4 z x 1 2 3 4 y 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 四旋翼飛行器的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，也就是左右運(yùn)動如圖 (c)所示。 由于電機(jī)是通過電子調(diào)速器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，所以控制板所輸出的信號需傳遞給CC3D 飛控，飛控將信號進(jìn)行分析，最終的處理結(jié)果通過 4 個調(diào)子調(diào)速器所對應(yīng)的端口分別輸出給電子調(diào)速器，再由電子調(diào)速器對每顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 由于需要考慮到飛行器的安全問題，所以需要設(shè)計(jì) 1 個開關(guān)切換手動和自動模式，進(jìn)而在可能發(fā)生意外情況時可以及時切換到手動模式進(jìn)行手動飛行來控制飛行器，所以需要 1個開關(guān)輸入。 Arduino 開發(fā)板設(shè)計(jì)得非常簡潔， 一塊 AVR 單片機(jī)、一個晶振或振蕩器和一個 5V 的直流電源 。使用 電壓 為 5V， 測量 感應(yīng)角度 15 度 以內(nèi) ， 測量距離為 2cm 到 450cm。 圖 花牌 3S 1300mAh 鋰電池 圖 乾豐 5030螺旋槳 由于鋰電池需要為 4顆電調(diào)分別供電，需要單獨(dú)分電板，分電板可以為 4顆電調(diào)提供所需的電流，結(jié)構(gòu)簡單，不需要把所有線都焊在一起，美觀而有效。平均工作電流可維持在 12A，峰值電流可達(dá) 15A，與銀燕 1806 電機(jī)正好匹配， 而且有 BEC 穩(wěn)壓功能，穩(wěn)壓輸出為 5V，電流為 1A。為此，選擇軸距為 210mm的四旋翼機(jī)架 （圖 ） ，機(jī)架全部使用碳纖維材料制成，主體設(shè)備架采用鏤空結(jié)構(gòu)以減輕機(jī)架重量。 在傳感器上，選用超聲波作為高度獲取裝置，價格低廉，而且高度范圍也在需求以內(nèi)。 飛控是控制系統(tǒng)的核心部分 ， 他在每個控制周期內(nèi)實(shí)時處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和飛行器的姿態(tài)信息，完成 PID控制的算法，得 到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，整合接收機(jī)和控制板輸入的控制信號，計(jì)算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四顆電機(jī)工作，保持四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行 （圖 ） 。 在實(shí)驗(yàn)過程中由于手動輸入 6個通道進(jìn)入控制器，導(dǎo)致飛行器飛行延遲嚴(yán)重，在北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 手動模式下就無法實(shí)現(xiàn)手動飛行 ， 而且由于課題中只需自動控制飛行器的高度，所以只需由控制器控制油門的變化量，而無需控制其余通道輸出，固其余通道可以直接由接收機(jī)輸出給飛控，減少控制器的運(yùn)算量，進(jìn)而達(dá)到更好的飛行效果。飛控一般安置在機(jī)架的正中間，與飛行器的幾顆電機(jī)所在的平面保持基本的平行，由飛控來控 制飛行器四顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，來穩(wěn)定四旋翼。雖然價格偏貴，但卻是專業(yè)無人機(jī)和愛好者的首選，運(yùn)用也最為廣泛。這也是四旋翼飛行器的最基本幾樣設(shè)備 （圖 ） 。本文將通過飛行器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感器選擇，軟件設(shè)計(jì)，飛行器系統(tǒng)調(diào)試來講述飛行器自動定高功能的研究與實(shí)現(xiàn)。 在多旋翼的技術(shù)研究發(fā)展的過程中，單片機(jī)、傳感器和各類算法等技術(shù)相互互補(bǔ)相互配合， 組成 多旋翼 的根本核心 , 所以多旋翼飛行器 的發(fā)展就會被 其中 某項(xiàng)技術(shù)的研究突破 所帶動起來 ， 能來帶許多科 技創(chuàng)新，拓寬很多新功能 ， 甚至許多 是我們 當(dāng)前 無法想到的。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目： 飛行高度自主控制四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名： 陳中浩 學(xué) 號： 2021090371121 學(xué) 院： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 指 導(dǎo) 教 師： 張東波 協(xié)助指導(dǎo)教師： 2021年 5 月 25 日 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 近幾年來，由于新技術(shù)的不斷革新，無人機(jī)行業(yè)也得到了很好的發(fā)展 ， 現(xiàn)如今已運(yùn)用于各行各業(yè)中。 在 1907 年，法國 的 教授進(jìn)行了他們的旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn) ，這是有記錄以來多旋翼飛行器最早的結(jié)構(gòu)形式 ， 但是由于當(dāng) 時在導(dǎo)航和控制上的技術(shù)還不成熟，多旋翼飛行器也受到了很大的限制， 如今各項(xiàng)技術(shù)都有了非常大的進(jìn)步和發(fā)展，多旋翼飛行器得以實(shí)現(xiàn)。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1 四旋翼飛行器系統(tǒng)方案的確定 定高系統(tǒng)控制任務(wù) 四旋翼飛行器如今受人們廣為關(guān)注，基于它起降條件要求低，可靠的穩(wěn)定性等強(qiáng)大的功能，被大量的使用。 圖 四旋翼組成圖 四旋翼飛行器的基本組成首先為機(jī)架，也就是四旋翼飛行器的構(gòu)架，所有的設(shè)備安裝放置在機(jī)架之上。 四旋翼飛行器的飛行需要依靠電機(jī)來帶動飛行器，顧名思義，四旋翼飛行器具有4顆電機(jī)，每顆電機(jī)型號大小完全一直，分別置于四旋翼的四個機(jī)臂末端，四顆電機(jī)的距離基本一致并處于同一平面上。飛控包含了三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)和磁力計(jì)等傳感器，用傳感器來檢測飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，來自動修正飛行器，使其保持穩(wěn)定。激光傳感器在使用時必須垂直與地面才能做到測量精確，而飛行器在姿態(tài)改變時會傾斜，激光傳感器也會傾斜，導(dǎo)致激光與地面產(chǎn) 生偏角，測量精度嚴(yán)重下降。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 基于超聲波的 控制 示意圖 四旋翼高度自主控制系統(tǒng) 的確定 基于激光傳感器系統(tǒng)中由于接收機(jī)輸出通道都通過控制板轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸出，使輸出數(shù)據(jù)精度下降，并且不需要對其中的升降，方向，滾轉(zhuǎn)信號控制 。設(shè)計(jì)過程中涉及到了飛行器的組裝，本方案的四旋翼機(jī)構(gòu)全由購買的不同組件拼裝而成 ， 飛控則需要進(jìn) 行初始化和調(diào)參設(shè)置，還有遙控器的硬件調(diào)參等。碳纖維材料具有強(qiáng)度高，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，使飛行器能更好 的完成任務(wù)。 圖 銀燕 1806電機(jī) 圖 銀燕 12A電調(diào) 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 選用此款無刷電機(jī) 適合使用標(biāo)稱電壓為 的鋰電池供電 ， 配合槳距為 5 寸螺距為 3 寸的螺旋槳使用 ， 螺旋槳型號為乾豐 5030（圖 ） 。在此選用Matek Mini 分電板 （圖 ） ，此分電板具有很小的結(jié)構(gòu)，耐大電流的優(yōu)點(diǎn)，對硬件組裝節(jié)省很多空間。 超聲波 傳感器發(fā)射端 向 測量方向 發(fā)射超聲波， 發(fā)射超聲波的同時計(jì)時 ， 當(dāng) 超聲波在 傳播過程中 碰到障礙物 時 就 立即 返回，接收器收到反射波停止計(jì)時。 、 Arduino Mega是一塊以 ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有 54組數(shù)字 I/O輸入輸出 端 ，其中 14組可做 PWM 輸出， 16 組模擬輸入端 。 表 輸入 名稱 P3 超聲波接收 P24 撥動開關(guān) SB1 P26 油門輸入 THR 表 輸出通道 輸出 名稱 P2 超聲波觸發(fā) P6 油門輸出 OUTTHR 硬件 原理圖 在圖 中 四顆電機(jī)分別通過連接 4 個電調(diào)直接供電，電調(diào)的供電通過分電板獨(dú)立分出電壓，分電板的供電為標(biāo)稱電壓 的鋰電池。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 四旋翼飛行器的控制流程及控制功能 四旋翼的 四個旋翼處于同一高度平面，四個電機(jī)對稱安裝在飛行器的 機(jī)臂 端， 機(jī)架 中間 安裝飛控和周邊設(shè)備。通過改變遙控器的滾轉(zhuǎn)通道，使左右兩側(cè)的電機(jī) 2和電機(jī) 3增大轉(zhuǎn)速，電機(jī) 1和電機(jī) 4減小轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)速的電機(jī)將使機(jī)臂抬升，而減小轉(zhuǎn)速的一側(cè)將機(jī)臂降低，使四旋翼左右運(yùn)動。 四旋翼飛行器由飛控來執(zhí)行遙控器的控制指令和調(diào)整飛 行器的飛行姿態(tài)。由于信號都為 PWM 信號，切換功能可以由發(fā)射機(jī)手動切換，