【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變形，效率高，是大多數(shù)航拍多軸的選擇。 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(jiǎn)單，不需要把所有線都焊在一起，美觀而有效。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(duì)硬件組裝節(jié)省很多空間。 圖 Matek Mini分電板 四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)需要有手動(dòng)來(lái)控制，用來(lái)遙控四旋翼飛行器選用Futaba14SG（圖 ） ，而在飛行器上接收發(fā)射機(jī)信號(hào)的接收機(jī)為 R6106 接收機(jī) （圖） 。 該遙控器具有 14 通道，每個(gè)通道可單獨(dú)設(shè)置。方便快捷，功能繁多。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 futaba14sg 圖 r6106接收機(jī) 四旋翼飛行器的核心飛控選擇 CC3D mini 飛控 （圖 ）， 該飛控具有 6 通道，最大可支持 6旋翼飛行器 ， 而且具有自穩(wěn)功能，可接電腦調(diào)試 。 價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，重量極輕，適合 210mm 的機(jī)架，符合方案要求。 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。使用 電壓 為 5V， 測(cè)量 感應(yīng)角度 15 度 以內(nèi) ， 測(cè)量距離為 2cm 到 450cm。 超聲波 傳感器發(fā)射端 向 測(cè)量方向 發(fā)射超聲波， 發(fā)射超聲波的同時(shí)計(jì)時(shí) ， 當(dāng) 超聲波在 傳播過(guò)程中 碰到障礙物 時(shí) 就 立即 返回，接收器收到反射波停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中速度為 340m/s， 此時(shí)記錄的 時(shí)間 為 t， 就能計(jì)算出超聲波傳感器離地面或者障礙物的距離為 s， 則距離為 s=340t/2 。 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。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào) 就 輸出回響信號(hào)?；仨?信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。 控制 板選用了 Arduino2560 開(kāi)發(fā)板 （圖 ） 。 Arduino 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)潔， 一塊 AVR 單片機(jī)、一個(gè)晶振或振蕩器和一個(gè) 5V 的直流電源 。 、 Arduino Mega是一塊以 ATmega2560為核心的微控制器開(kāi)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 。 能夠通過(guò) USB 直接下載程序。供電部份可選擇由 USB直接提供電源，或者 外部 5V 供電 。 圖 Aduino 2560開(kāi)發(fā) 板 飛行器的硬件組裝中需要注意很多的細(xì)節(jié) ， 由于飛行器的機(jī)架為全碳纖維材料，碳纖維材料是導(dǎo)電的，所以需要在安裝時(shí)對(duì)電路上露出來(lái)的元件絕緣或者墊高，避免接觸到碳纖維。飛控的安裝也要保證與 4個(gè)電機(jī)所在的平面平行 ， 飛行器組裝完成后如圖 所示。 圖 組裝后的 四旋翼飛行器 I/O分配表 四旋翼有 4顆電機(jī)控制姿態(tài)變化，通過(guò)電調(diào)來(lái)接收飛控發(fā)出的 PWM 指令，固有 4個(gè)電機(jī) PWM 輸出信號(hào) ， 飛控作為飛行器的姿態(tài)控制器，需要接收發(fā)射機(jī)的手動(dòng)遙控信北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 號(hào)來(lái)進(jìn)行姿態(tài)的手動(dòng)變化，而主要的姿態(tài)變化有飛行 器的前后俯仰變化，左右的滾轉(zhuǎn)，航向的偏轉(zhuǎn)和高度的油門變化量，所以一共有 4 個(gè)輸入信號(hào)給飛控。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 。 由于需要考慮到飛行器的安全問(wèn)題，所以需要設(shè)計(jì) 1 個(gè)開(kāi)關(guān)切換手動(dòng)和自動(dòng)模式，進(jìn)而在可能發(fā)生意外情況時(shí)可以及時(shí)切換到手動(dòng)模式進(jìn)行手動(dòng)飛行來(lái)控制飛行器，所以需要 1個(gè)開(kāi)關(guān)輸入。 表 輸入 名稱 P3 超聲波接收 P24 撥動(dòng)開(kāi)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(guò)連接 4 個(gè)電調(diào)直接供電，電調(diào)的供電通過(guò)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。電子調(diào)速器的信號(hào)線都連接到 CC3D 飛控的 4 個(gè)輸入通道上，由于每個(gè)電子調(diào)速器都有 5V的穩(wěn)壓輸出，所以每個(gè)電子調(diào)速器都可以進(jìn)行供電，其中任意 3 個(gè)電調(diào)的 5V 電源線直接連接到飛控端，給飛控供電，剩下的一組電源線接到 Arduino 控制板，給控制板進(jìn)行供電。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。而接收機(jī)的油門信號(hào)線和手動(dòng)自動(dòng)模式信號(hào)線則連接到 Arduino 控制板的PWM信號(hào)輸入端?？刂瓢宓?rx 和 tx接口連接超聲波傳感器的對(duì)應(yīng)接口，傳感器的供電也由控制板提供 ,控制板輸出的油門信號(hào)最終連接到 CC3D 飛控的油門信號(hào)輸入端。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 硬件 原理 圖 硬件 設(shè)計(jì)小結(jié) 基于四旋翼飛行器的定高，通過(guò)任務(wù)要求選擇 210mm 軸距的機(jī)架，進(jìn)而確定其余設(shè)備的尺寸型號(hào)大小，基于超聲波傳感器的精確測(cè)量和穩(wěn)定性，選擇傳感器為HCSR04。選用 Arduino2560 開(kāi)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 輸入和模擬輸出接口 ，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，除電機(jī)外的其余硬件都可以支持 5V供電，通過(guò)分電板的降壓模塊，可以持續(xù)輸出 5V的電壓，為控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。 由于電機(jī)是通過(guò)電子調(diào)速器來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，所以控制板所輸出的信號(hào)需傳遞給CC3D 飛控，飛控將信號(hào)進(jìn)行分析，最終的處理結(jié)果通過(guò) 4 個(gè)調(diào)子調(diào)速器所對(duì)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(duì)每顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 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(gè)旋翼處于同一高度平面，四個(gè)電機(jī)對(duì)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。螺旋槳 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，四個(gè)旋翼中的兩個(gè) 電機(jī) 正轉(zhuǎn)，兩個(gè) 電機(jī) 反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè) 電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同 。 圖 四旋翼方向控制 四旋翼飛行器的 控制方向分為升降，偏航，油門，滾 轉(zhuǎn) (圖 )。如圖 (a)為四旋翼飛行器的油門控制，通過(guò)控制增大遙控器的油門通道，將同時(shí)增大四顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生的升力大于四旋翼本身的重量時(shí)，飛行器將上升。同理，通過(guò)控制減小遙控器的油門通道，將同時(shí)減小四顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛行器下降。 四旋翼飛行器的俯仰姿態(tài)，也就是前后運(yùn)動(dòng)如圖 (b)所示。通過(guò)改變遙控器的升降通道，使前后側(cè)的電機(jī) 1和電機(jī) 2 增大轉(zhuǎn)速，電機(jī) 3 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，使四旋翼前后運(yùn)動(dòng)。 (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(dòng)如圖 (c)所示。通過(guò)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(dòng)。 旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。 在圖 (d)中，當(dāng)操作遙控器的方向通道進(jìn)行改變時(shí)，相對(duì)的兩顆電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，也就是旋轉(zhuǎn)方向相同的電機(jī)。而另外兩顆電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，由于反扭的左右，機(jī)身便在反扭力下沿著軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)偏航。 圖 四旋翼控制 框圖 在圖 中 四旋翼 飛行器有遙控器發(fā)出指令，只要為控制飛行器飛行姿態(tài)的指令，分為俯仰，油門，偏航和滾轉(zhuǎn)。遙控器通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)不同通道的搖桿，使遙控器發(fā)出PPM 信號(hào)，由安裝在飛行器上的無(wú)線遙控接收機(jī) 接收遙控器發(fā)來(lái)的 PPM 信號(hào)，再進(jìn)行解碼。分為 4 個(gè)不同姿態(tài)通道，使其為 PWM 信號(hào)傳送給飛行控制器。 四旋翼飛行器由飛控來(lái)執(zhí)行遙控器的控制指令和調(diào)整飛 行器的飛行姿態(tài)。飛控的控制目標(biāo)是使其在無(wú)動(dòng)作指令時(shí)保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動(dòng)作指令時(shí)有效完成指定動(dòng)作。 飛控上的姿態(tài)傳感器測(cè)量飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，通過(guò)姿態(tài)解算，得到需要每顆電機(jī)修正的轉(zhuǎn)速大小，運(yùn)用 PID 算法，從而將 PWM 信號(hào)輸出給電子調(diào)速器，通過(guò)電調(diào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速修正姿態(tài)控制指令 無(wú)線模塊 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 主控制器 三軸陀螺儀 三軸 加速度計(jì) 三軸磁力計(jì) 姿態(tài)解算 PID控制 PWM1 PWM2 PWM3 電調(diào) 1 電調(diào) 2 電調(diào) 3 電調(diào) 4 電機(jī) 2 電機(jī) 3 電機(jī) 4 電機(jī) 1 PPM信號(hào) PWM4 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 姿態(tài)，當(dāng)接收機(jī)傳給飛控一個(gè)偏航指令時(shí)，飛控將此指令與姿態(tài)解算的結(jié)果相互融合計(jì)算出每顆電機(jī)的修正轉(zhuǎn)速，再輸出給 電子調(diào)速器，控制飛行器的姿態(tài)達(dá)到需要的位置。 程序設(shè)計(jì)思路 本項(xiàng)目需要控制四旋翼飛行器的高度，而四旋翼飛行器高度的控制是通過(guò)油門控制 4 顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加和減小來(lái)達(dá)到飛行器高度的升高與降低。由于四旋翼飛行器由手動(dòng)控制，所以安裝在飛行器上的接收機(jī)可以接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，高度控制是通過(guò)遙控器的油門通道，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)的油門信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成 PWM 信號(hào)發(fā)送給飛控來(lái)控制油門大小的變化，所以可以通過(guò)改變接收機(jī)發(fā)送給飛控的油門信號(hào)大小來(lái)間接控制飛行器的油門大小。 首先通過(guò)外接控制板嵌入接收機(jī)和飛控中間，將接 收機(jī)輸出的油門信號(hào)傳送給控制板，控制板可以直接輸出接收機(jī)的油門信號(hào)，同時(shí)還可以控制輸出油門 PWM 值的大小。通過(guò)外加傳感器安裝在飛行器上來(lái)測(cè)量飛行器的當(dāng)前高度，通過(guò)高度的變化可以由控制板來(lái)自動(dòng)控制油門的 PWM信號(hào)，再傳遞給飛控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制飛行器高度。 為了可以手動(dòng)完成控制和安全起見(jiàn)，需要有手動(dòng)控制油門大小和自動(dòng)控制油門大小兩個(gè)控制方式 ，