【文章內(nèi)容簡介】 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。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，對硬件組裝節(jié)省很多空間。 圖 Matek Mini分電板 四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)需要有手動來控制，用來遙控四旋翼飛行器選用Futaba14SG（圖 ） ，而在飛行器上接收發(fā)射機信號的接收機為 R6106 接收機 （圖） 。 該遙控器具有 14 通道，每個通道可單獨設(shè)置。方便快捷，功能繁多。 北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 9 圖 futaba14sg 圖 r6106接收機 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 。 價格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，重量極輕，適合 210mm 的機架，符合方案要求。 圖 CC3D mini飛控 超聲波傳感器選用 HCSR04 傳感器 （圖 ）， 此型號傳感器 性能穩(wěn)定，測 量 距離精確。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。 超聲波 傳感器發(fā)射端 向 測量方向 發(fā)射超聲波， 發(fā)射超聲波的同時計時 ， 當 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時。超聲波在空氣中速度為 340m/s， 此時記錄的 時間 為 t， 就能計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)超聲波測量距離的時候 ，提供一個 10us 的脈沖觸發(fā)信號，模塊內(nèi)部發(fā)出北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 10 8個 40kHz 周期電平并檢測波。一旦檢測到有回波信號 就 輸出回響信號。回響 信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。 控制 板選用了 Arduino2560 開發(fā)板 （圖 ） 。 Arduino 開發(fā)板設(shè)計得非常簡潔， 一塊 AVR 單片機、一個晶振或振蕩器和一個 5V 的直流電源 。 、 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 。 能夠通過 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開發(fā) 板 飛行器的硬件組裝中需要注意很多的細節(jié) ， 由于飛行器的機架為全碳纖維材料，碳纖維材料是導(dǎo)電的，所以需要在安裝時對電路上露出來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個電機所在的平面平行 ， 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顆電機控制姿態(tài)變化，通過電調(diào)來接收飛控發(fā)出的 PWM 指令，固有 4個電機 PWM 輸出信號 ， 飛控作為飛行器的姿態(tài)控制器，需要接收發(fā)射機的手動遙控信北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 11 號來進行姿態(tài)的手動變化，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 個輸入信號給飛控。測量高度的方法需要控制器發(fā)出測量信號，和接收到的高度信號反饋給控制器，所以為 1個輸入和 1個輸出 。 由于需要考慮到飛行器的安全問題，所以需要設(shè)計 1 個開關(guān)切換手動和自動模式，進而在可能發(fā)生意外情況時可以及時切換到手動模式進行手動飛行來控制飛行器，所以需要 1個開關(guān)輸入。 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立分出電壓，分電板的供電為標稱電壓 的鋰電池。電子調(diào)速器的信號線都連接到 CC3D 飛控的 4 個輸入通道上，由于每個電子調(diào)速器都有 5V的穩(wěn)壓輸出，所以每個電子調(diào)速器都可以進行供電，其中任意 3 個電調(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，給控制板進行供電。接收機的俯仰，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。而接收機的油門信號線和手動自動模式信號線則連接到 Arduino 控制板的PWM信號輸入端?？刂瓢宓?rx 和 tx接口連接超聲波傳感器的對應(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最終連接到 CC3D 飛控的油門信號輸入端。 北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 12 圖 硬件 原理 圖 硬件 設(shè)計小結(jié) 基于四旋翼飛行器的定高，通過任務(wù)要求選擇 210mm 軸距的機架，進而確定其余設(shè)備的尺寸型號大小，基于超聲波傳感器的精確測量和穩(wěn)定性，選擇傳感器為HCSR04。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 輸入和模擬輸出接口 ，在整個硬件系統(tǒng)中，除電機外的其余硬件都可以支持 5V供電，通過分電板的降壓模塊，可以持續(xù)輸出 5V的電壓，為控制系統(tǒng)進行供電。 由于電機是通過電子調(diào)速器來控制電機轉(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)速器對每顆電機的轉(zhuǎn)速進行控制。 北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 13 3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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，四個電機對稱安裝在飛行器的 機臂 端， 機架 中間 安裝飛控和周邊設(shè)備。螺旋槳 轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，四個旋翼中的兩個 電機 正轉(zhuǎn)，兩個 電機 反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個 電機 轉(zhuǎn)動方向相同 。 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，通過控制增大遙控器的油門通道，將同時增大四顆電機的轉(zhuǎn)速，當螺旋槳產(chǎn)生的升力大于四旋翼本身的重量時，飛行器將上升。同理，通過控制減小遙控器的油門通道，將同時減小四顆電機的轉(zhuǎn)速，使飛行器下降。 四旋翼飛行器的俯仰姿態(tài)，也就是前后運動如圖 (b)所示。通過改變遙控器的升降通道，使前后側(cè)的電機 1和電機 2 增大轉(zhuǎn)速，電機 3 和電機 4 減小轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)速的電機將使機臂抬升，而減小轉(zhuǎn)速的一側(cè)將機臂降低，使四旋翼前后運動。 (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 畢業(yè)設(shè)計 14 四旋翼飛行器的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，也就是左右運動如圖 (c)所示。通過改變遙控器的滾轉(zhuǎn)通道，使左右兩側(cè)的電機 2和電機 3增大轉(zhuǎn)速，電機 1和電機 4減小轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)速的電機將使機臂抬升，而減小轉(zhuǎn)速的一側(cè)將機臂降低，使四旋翼左右運動。 旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。 在圖 (d)中，當操作遙控器的方向通道進行改變時，相對的兩顆電機轉(zhuǎn)速增大，也就是旋轉(zhuǎn)方向相同的電機。而另外兩顆電機轉(zhuǎn)速減小，由于反扭的左右，機身便在反扭力下沿著軸線旋轉(zhuǎn)，實現(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)。遙控器通過手動移動不同通道的搖桿，使遙控器發(fā)出PPM 信號，由安裝在飛行器上的無線遙控接收機 接收遙控器發(fā)來的 PPM 信號，再進行解碼。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。 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)。飛控的控制目標是使其在無動作指令時保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動作指令時有效完成指定動作。 飛控上的姿態(tài)傳感器測量飛行器的當前姿態(tài)，通過姿態(tài)解算，得到需要每顆電機修正的轉(zhuǎn)速大小，運用 PID 算法，從而將 PWM 信號輸出給電子調(diào)速器，通過電調(diào)來控制電機轉(zhuǎn)速修正姿態(tài)控制指令 無線模塊 姿態(tài)測量系統(tǒng) 主控制器 三軸陀螺儀 三軸 加速度計 三軸磁力計 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 2 電機 3 電機 4 電機 1 PPM信號 PWM4 北京聯(lián)合大學 畢業(yè)設(shè)計 15 姿態(tài)，當接收機傳給飛控一個偏航指令時，飛控將此指令與姿態(tài)解算的結(jié)果相互融合計算出每顆電機的修正轉(zhuǎn)速，再輸出給 電子調(diào)速器，控制飛行器的姿態(tài)達到需要的位置。 程序設(shè)計思路 本項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油門控制 4 顆電機的轉(zhuǎn)速增加和減小來達到飛行器高度的升高與降低。由于四旋翼飛行器由手動控制，所以安裝在飛行器上的接收機可以接收發(fā)射機發(fā)出的控制信號，高度控制是通過遙控器的油門通道，接收機接收發(fā)射機的油門信號，將信號轉(zhuǎn)化成 PWM 信號發(fā)送給飛控來控制油門大小的變化，所以可以通過改變接收機發(fā)送給飛控的油門信號大小來間接控制飛行器的油門大小。 首先通過外接控制板嵌入接收機和飛控中間，將接 收機輸出的油門信號傳送給控制板，控制板可以直接輸出接收機的油門信號，同時還可以控制輸出油門 PWM 值的大小。通過外加傳感器安裝在飛行器上來測量飛行器的當前高度，通過高度的變化可以由控制板來自動控制油門的 PWM信號，再傳遞給飛控，進而實現(xiàn)自動控制飛行器高度。 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 ，