【導(dǎo)讀】注1：注明《國際十進(jìn)分類法UDC》的類號。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明。其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。四旋翼飛機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操縱性差等缺點導(dǎo)致其研究進(jìn)展較為緩慢。來，隨著新型材料、微機(jī)電、微慣導(dǎo)技術(shù)和飛行控制理論的發(fā)展，四旋翼無人直升機(jī)獲得了越來越多地關(guān)注。無人飛行器的重要的研究方向之一。直升機(jī)控制器的軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了近地環(huán)境下的姿態(tài)控制。塊六個獨立的模塊。通濾波器，減少了A/D偏差，降低了高頻噪聲。本文建立了四旋翼無人機(jī)的非線性動力學(xué)模型，設(shè)計了PID控制器進(jìn)。仿真和實際系統(tǒng)控制結(jié)果表明，該P(yáng)ID控制器可以得到較好的姿態(tài)控制。效果，驗證了控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

　　

【正文】 口⑤ 價格、功耗等。 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。當(dāng)前大多數(shù)芯片 A/D 輸入信號范圍基本都能滿足要求。因此轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率 是 選型的主要考慮因素。 ? 轉(zhuǎn)換速 率 指標(biāo)設(shè)計 目前大多數(shù)研究平臺電機(jī)的控制頻率為 50Hz 到 100Hz 左右，而普通有刷電機(jī)的碩士論文 小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 13 控制帶寬只有 50Hz 左右 [20]。由于這個限制，更高的控制頻率對于普通的電機(jī)是不合適的。但是為了增加導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少積分漂移。 A/D 的采樣頻率為控制頻率的 20 倍左右，達(dá)到 2KHz。慣性元器件總共有 6 路 A/D 輸出，再加上兩路電平基準(zhǔn)，一共 8 路。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。 ? 轉(zhuǎn)換精度的 指標(biāo)設(shè)計 A/D 器件 的誤差有失調(diào)誤差和增益誤差兩種 ， 一般由最低有效位（ LSB）標(biāo)識。 以加速度計為例，假設(shè)量程為 ? ，其靈敏度為 800mV/g。因此，電壓輸出范圍是 。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。根據(jù)以上分析可知最大誤差電壓達(dá)到 ，其對應(yīng)的加速度誤差為（ ） 。根據(jù)式（ ）和式（ ） 0tV adt at??? () 2012ts vdt at??? () 因此速度誤差 V=（ ） ? ? t， S=（ ） ? ? t? t/2。若假設(shè) 1 分鐘的速度誤差為 1m/s 則對應(yīng) M=29。 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。另外 F28335 的偏移誤差為 15LSB而增益誤差為 ? 30LSB[34]，因為這些誤差可以使用軟件補(bǔ)償（見 小結(jié)），所以 為了方便開發(fā)，直接使用 DSP 自帶的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，并且將 DSP 的 SPI 口擴(kuò)展以備更高精度的 A/D 芯片使用。 數(shù)字傳感器 （ 1）數(shù)字羅盤 在慣性導(dǎo)航算法中， 導(dǎo)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。選用霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤 HMR3300[35]（圖 ）對 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn) 。 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。其主要參數(shù) 見 表 。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 14 表 數(shù)字羅盤主要 參數(shù) 表 航 向 精度 水平： 176。 ?0 ~177。 ?30 ： 176。 177。 ?30 ~177。 ?60 ： 176。 分辨率 176。 俯仰和橫滾 范圍 177。 ?60 精度 ?0 ~177。 ?30 ： 176。 176。 177。 ?30 ~177。 ?60 ： 176。 deg176。 分辨 率 176。 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(jī) 飛行 不高，對精度的要求也不是很高。 因此 選用國產(chǎn)的 URF04（圖 ）超聲波傳感器測量飛機(jī)的離地高度。 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 。 URF04 的工作原理如下： DSP 通過 IO 口給聲納至少 10us 的高 電平觸發(fā)信號，超聲模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；如果有信號返回，聲納的 IO 口 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。通過簡單的 計 算 ， 便可以 求 出聲納探頭到障礙物的距離。 URF04 的主要 參數(shù) 見表 表 URF04超聲波傳感器主要參數(shù) 表 電壓 電流 工作頻率 探測范圍 精度 接口電平 尺寸 5V =300MA 40KHz 3cm500cm TTL 2cm* 碩士論文 小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 URF04 超聲波傳感器 無線通信模塊 選型 無線 通信 模塊是四旋翼無人機(jī)的重要組成部分。 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(zhǔn)確性和及時性。由于通訊距離并不長， 采用 如圖 所示國產(chǎn) KYL610 作為無線傳輸模塊。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 。主要參數(shù)見表 。 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=105@9600bps,標(biāo)配 10cm 天線，空曠地，天線高度 )；400m 以上 (BER=105@1200bps,標(biāo)配 10cm 天線，空曠地，天線高度 )； 推進(jìn)組 及電機(jī)驅(qū)動 選型 （ 1）四旋翼 無人 直升機(jī)的推進(jìn)組由電機(jī)、減速齒輪 和 螺旋槳組成（圖 ）。減 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 16 速齒輪減速比為 1:6，可以為旋翼提供更大的扭矩。電機(jī)型號為 1225FE33，體積 1210 ，重 12g，具體指標(biāo)見表 。 圖 四旋翼無人機(jī)推進(jìn)組 表 1225FE33性能指標(biāo) 額定 空載 起動 電壓 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)矩 電流 3V 11000rpm 200mA 12020rpm 80mA 33 1800mA （ 2）直流電機(jī)是功率器件，需要很大的驅(qū)動電流，控制器 的 驅(qū)動能力有限， 因此必須選用專門的驅(qū)動芯片。 由表 可知，四旋翼無人機(jī)的的電機(jī)的啟動電流達(dá)到1800mA，另外電機(jī)的工作電壓為 11V，因此電 機(jī)驅(qū)動芯片選用飛思卡爾的電機(jī)專用芯片 MC33886。該芯片的驅(qū)動電流可達(dá) 5A、操作電壓達(dá)到 40V，脈寬控制頻率可達(dá)10Khz。 具體指標(biāo)見表 。 表 MC33886主要參數(shù) 參數(shù) 范圍 單位 最小 典型 最大 電源電壓 — 40 V VIH — — V VIL — — V PWM 頻率 — — 10 KHz 電流峰值 — 1500 2020 mA 處理器選型 （ 1）作為核心部件，處理器必須具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)控制能力。 （ 2）導(dǎo)航解算、數(shù) 字濾波等需要大量的浮點運(yùn)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。 （ 3）由于編程的代碼量相對較多，需要足夠的程序和數(shù)據(jù)空間 （ 4）外設(shè)接口要豐富： 2 個 SCI 口，分別給 hmr3300 數(shù)字羅盤和無線數(shù)據(jù)傳輸模碩士論文 小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 17 塊 KYL610； 6 路 A/D 接口，配置給慣性測量單元； 1 個 I/O 口 和 1 個 CAP 捕捉口，配置給超聲傳感器； 4 路 PWM 輸出 電路，控制 四個 直流電機(jī)； SPI 通信端口擴(kuò)展 綜合考慮以上幾點因素：選用 TI 公司的 TMS320F28335 作為處理器。 F28335 整合了 C28x 處理單元 和浮點處理單元 [34]的構(gòu)架 (C28x+FPU)。 C28x 構(gòu)架整合了 DSP 和微控制器的最佳特性。能在一個指令周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址讀寫、修改操作。 FPU 單元采用 IEEE754 單精度浮點格式標(biāo)準(zhǔn)，使其具有很強(qiáng)的浮點運(yùn)算能力。 其主要特征如表 所示。 表 TMS320F28335 DSP的 主要特征 表 型號 DSP 類型 特性 F28335 C28x+FPU 32 位浮點 SCI（ 3 個）、 SPI（ 1 個）、 CAN、 12 位 A/D（ 16 通道）， McBSP，增強(qiáng) ePWM 模塊（ 6 路）、增強(qiáng)捕捉單元（ 4 個）、增強(qiáng)光電編 碼接口、看門狗定時器、 FLASH（ 256K）、高達(dá) 150MIPS 硬件系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)控制 系統(tǒng) 配置和 F28335 的特性， 則 圖 所示的硬件 系統(tǒng) 變成圖 所示 的硬件系統(tǒng) 圖 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 由上一節(jié) 內(nèi)容 可知，圖 中， DSP 選用 TMS320F28335，數(shù)字羅盤選用 hmr3300，無線通信模塊是 KYL610，超聲傳感器是 URF04，慣性測量模塊 (IMU) 采用MMA7260Q 和 ADXRS150，晶振頻率為 20Mhz，電機(jī)組和電源為模型自帶 。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 碩士論文 18 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。 表 四旋翼無人直升機(jī) 元器件 質(zhì)量表 元器 件 重量（ g） 說明 機(jī)架 148 華科爾 四旋翼 機(jī)架和推進(jìn)組 鋰電池 73 800mAh 無線模塊 12 含天線 數(shù)字羅盤 6 主控制板 34 包括 DSP 最小系統(tǒng)各器件接口 陀螺儀和加速度計 5 三個 單軸陀螺 和一個 三軸 加速度計 合計 278 機(jī)架54%鋰電池26%主控制板12%數(shù)字羅盤2%無線模塊4%陀螺儀和加速度計2% 機(jī)架鋰電池?zé)o線模塊數(shù)字羅盤主控制板陀螺儀和加速度計 圖 四旋翼無人機(jī) 元器件 質(zhì)量 分布圖 由圖 可知， 機(jī)架和電池部分占 系統(tǒng)總重量的百分之八十。系統(tǒng)機(jī)架是在華科爾四旋翼直升機(jī)上改造的，包 含了機(jī)體、電機(jī)、減速齒輪 、 螺旋槳和電機(jī)驅(qū)動等部分 ，鋰電池占 26%， 這兩部分 所占比例 太大 。控制器核心模塊占總質(zhì)量的 20%，其中傳感器和通信部分占 8%。 由 以上結(jié)論可以看出，想要進(jìn)一步減少 機(jī)體重 量 、 提高 有效載荷可以從機(jī)架上采取措施。比如選用更加輕便的機(jī)體或者選 用重量更輕、 功率 更大的無刷電機(jī)等等。 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(fù)位電路 、 JTAG 仿真接 口 和相應(yīng)的外圍電路 。 供電系統(tǒng)設(shè)計 供電系統(tǒng)的 設(shè)計 應(yīng)考慮以下幾方面：核心電壓、 電壓穩(wěn)定性和靜態(tài)電流。 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(jī)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(jī) 及相應(yīng)驅(qū)動 芯片需要 供電。 所以需要設(shè)計 —5V—— 的供電系統(tǒng)。 （ 1） —5V 電源芯片選擇。 電源芯片 的 選型主要 依據(jù) 是各個核心 元器件 所 消耗電流的大小 。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。 因此 選擇體積 小， 最大輸出電流 達(dá) 500mA 的 78M05[38]作為 12V 轉(zhuǎn) 5V 的 轉(zhuǎn)換芯片。 78M05 具有熱保護(hù)、短路保護(hù)等功能， 電路 設(shè) 計 如圖 所示 。 另外， 在 78