【正文】 (223) 2根據(jù)空氣動力學(xué)可知螺旋槳所產(chǎn)生的拉力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而電機調(diào)速器是以轉(zhuǎn)速為被控 制量，控制系 統(tǒng)發(fā)給電機調(diào)速 器的控制量首 先經(jīng)過電機的 模型轉(zhuǎn)化為速度信號，然后經(jīng)過一個非線性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為最終的升力。此處將電機的調(diào)速模型簡化為一階慣性環(huán)節(jié)則電調(diào)控制信號量與電機轉(zhuǎn)速間的傳遞函數(shù)為： +1此處不妨取 k =1。而電機轉(zhuǎn)速 Wi 與拉力 Fi 之間滿足如下關(guān)系： Fi = EWi (224) 其中，E 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以通過實際的電機測試得到。 本章小結(jié) 本章首先對六旋翼無人機的飛行方式進行了分 析，包括如何實現(xiàn)前飛與后飛，向左飛行與向右飛行，上升下降等機動動作。然后，通過對該六旋翼無人機用途的分析，得到對于機體與動力系統(tǒng)的要求，根據(jù)要求，對機體以及動力系統(tǒng)進行了設(shè)計與選型，搭建了機體結(jié)構(gòu)。最后，對六旋翼無人機進行了詳盡的力學(xué)分析，得到了它的運動方程與狀態(tài)方程，運用一階慣性環(huán)節(jié)對于電機的特性進行了近似，估計了合理的參數(shù)。 16 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第3章 六旋翼無人機硬件設(shè)計 六旋翼無人機與固定翼飛機不同，屬于靜不穩(wěn)定飛行器，需要持續(xù)的姿態(tài)保持。為了實現(xiàn)完善的姿態(tài)控制，需要多傳感器參與控制反饋，由主控制器收集信息并綜合所有傳感器信息產(chǎn)生控制量，將控制量傳遞給電機調(diào)速器，從而實現(xiàn)對無人機姿態(tài)、位置、高度的調(diào)節(jié)。 總體方案 六旋翼無人機控制系統(tǒng)的總體方案如圖 31 所示 機載 部分MTI姿態(tài) 模塊三軸MEMS陀螺儀三軸MEMS加速度計三軸磁阻傳感器DSPUARTPWM主處理器PWMPWMPWMPWMPWMPWM電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機1電機2電機3電機4電機5電機6控制手柄Xbee通訊模塊遙控器圖像傳輸系統(tǒng)接收機計算機云臺控制器Xbee通訊模塊無線接收機圖像傳輸系統(tǒng)發(fā)射機攝像頭UARTPWMAVSTM32f407UARTUARTI2CUARTI2C光流傳感器GPS氣壓計超聲測距E2PROM地面 站圖 31 控制系統(tǒng)硬件總體方案 該控制系統(tǒng)總體分為兩大部分，地面站與機載部分。地面站主要負責(zé)控制指令的發(fā)送與機上信息的回傳、顯示、分析與保存。機載部分主要負責(zé)機體運動信息的獲取、綜合，通過多種傳感器實現(xiàn)對機體姿態(tài)、運動速度、運動位置的控制。 無線通訊鏈路 控制指令可以通過兩條鏈路進行上傳。第一條無線鏈路為 Xbee 無線通訊鏈路，可以通過控制手柄將控制信息通過 USB 接口傳送給計算機，然后在計算機上進行指令的分析，綜合地面站軟件的各種指令信息，通過 Xbee 無線通訊模塊將信息上傳至機上，機載主控制器通過機載 Xbee 無線通訊模塊接收信息，然后對信息進行解包執(zhí)行。第二條無線鏈路為遙控器無線鏈路，可以通過無線遙控器將遙控器的撥17 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 桿與開關(guān)信息傳送給無線接收機，然后接收機通過輸出PWM波形給主控制器來傳遞信息，主控制器測量 PWM 的占空比，進而對控制指令進行執(zhí)行。第三條無線鏈路專門用來傳輸圖像信息，機載攝像頭裝載在云臺上，主控制器可以通過 PWM通路向云臺控制 器發(fā)送指令， 云臺控制器通過 裝載在云臺平臺 上的慣性測 姿模塊調(diào)整云臺平臺到特 定姿態(tài)，既 能夠隔離機體的 運動對圖像造 成的不穩(wěn)定又 可以控制相機的朝向。穩(wěn)定的 圖像信息通過 AV 模擬輸出線路傳送給圖像發(fā)射機，發(fā)射機經(jīng)過 無線鏈路將實時圖像信息傳送給地面站中的圖像接收機。然后地面站可以對圖像進行處理，進一步獲取圖像中目標(biāo)位置的運動情況，通過 Xbee 無線鏈路發(fā)送跟蹤指令。 傳感器系統(tǒng) 機載部分傳感器主要包括陀螺儀、加速度計、磁強計、氣壓計、 光流傳感器、GPS 接收機、超聲波測距傳感器，而陀螺儀、加速度計、磁強計通過擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)對無人機姿 態(tài)與航向?qū)崿F(xiàn)無 漂移的準(zhǔn)確測 量；氣壓計 與超聲波測距 傳感器用來測量無人機的 高度與高度 升降速度信息 ，不同之處在于 氣壓計的測量 范圍較超聲波測距傳感器更大，而超聲波傳感器卻具有比氣壓計更加準(zhǔn)確的高度值；光流傳感器與 GPS 傳感器用來測量無人機的位置信息與速度信息，不同之處在于光流傳感器不需要外部 GPS 信號，可以實現(xiàn)室內(nèi)的定位，具有較高的位置精度與位移速度精度，但是其位置輸出會隨著時間漂移，而 GPS 傳感器則需要在室外使用，其位置信息的精度沒有光流傳感器高，但是具有可在高空使用，對于光線條件沒有要求等優(yōu)點。主控制器通過綜合所有上述傳感器的信息，得到姿態(tài)、位置、速度信息，并通過這些反饋對無人機進行控制，實現(xiàn)整個無人機控制系統(tǒng)。 執(zhí)行器與數(shù)據(jù)保存 控 制信 息 的執(zhí) 行最 終 通過 電 機進 行執(zhí) 行 。主 控制 器 通過 向電 機 調(diào)速 器發(fā) 送PWM 信號對電機進行調(diào)速。而電機調(diào)速器接收到 PWM 信號后對占空比進行測量，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的 開關(guān)時間比例從 而調(diào)節(jié)電機的 轉(zhuǎn)速。由于 外轉(zhuǎn)子無刷電 機不存在機械電刷，電機 調(diào)速器還需要根 據(jù)位置反饋對 電機進行換相從 而實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運行，并且達到較高動態(tài)響應(yīng)。 由于 STM32F407 在 RAM 內(nèi)存儲的信息在斷電后會丟失，因此，在控制板設(shè)計了 EEPROM 對重要的參數(shù)進行存儲，保證斷電不丟失參數(shù)，在重新上電后直接對參數(shù)進行讀取即可。 18 傳感器系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 動態(tài)精度 2176。RMS 傳感器系統(tǒng)是有效的控制系統(tǒng)成功運行的關(guān)鍵 ，只有獲取低噪聲的反饋信息，控制系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的控制性能，因此，在選擇傳感器方面，該課題進行了精心選擇并最終獲取了一套高性能的傳感器系統(tǒng)。 姿態(tài)傳感器 姿態(tài)傳感器采用荷蘭 Xsense 公司的 MTI 傳感器，如圖 32 所示。MTI 系統(tǒng)主要用來測量姿態(tài)與磁航向。其內(nèi)部內(nèi)嵌 DSP 對加速度計、陀螺儀、磁強計的輸出進行補償，其補償項包括標(biāo)度因數(shù)誤差補償、零輸入偏置補償、溫度補償。然后對于補償過的加速度、角速度、磁場強度進行 Kalman 濾波，完成對姿態(tài)與航向的估計。MTI 被廣泛用于照相機、機器人、小型無人機、車輛等設(shè)備的控制與穩(wěn)定。其角度分辨率為 176。，靜態(tài)精度優(yōu)于 176。，動態(tài)精度優(yōu)于 2176。優(yōu)異的測量精度能夠滿足姿態(tài)控制的要求。 表 31 MTI 性能參數(shù) 動態(tài)范圍 所有角度 角度分辨率 176。 角度重復(fù)誤差 176。 靜態(tài)精度(姿態(tài)) 176。 靜態(tài)精度(航向) 176。 圖 32 MTI 姿態(tài)模塊 高度傳感器 高 度 傳 感 器 采 用 了 Measurement Specialties 公 司 的 MS5803 氣 壓 計 以 及Maxsonar 公司的超聲波傳感器 Maxsonar EZ4。 圖 33 MS5611 氣壓計 圖 34 Maxsonar EZ4 超聲波傳感器 2MS5803 氣壓計通過測量氣壓的變化，獲取高度信息，其內(nèi)置 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率達到 10cm，且具有高達 1ms 的轉(zhuǎn)換速度，能夠滿足無人機這種高動態(tài)應(yīng)用場合，內(nèi)嵌溫度計，可以對氣壓進行溫度補償。通訊接口采用 I C 接口或 SPI接口。 超聲波傳感器通過自身發(fā)出超聲波并檢測回波的方式，記錄反射時間來計算超聲波傳感器與反射面的距離。Maxsonar EZ4 的探測距離可以達到 ，提供 10Hz19 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 的更新頻率與 1cm 的分辨率。采用串口通訊。 位置傳感器 小型無人機的導(dǎo)航需要依靠可靠的位置與速度估計。特別對于六旋翼無人機這種無阻尼的系統(tǒng)，需要高頻的位置信息來實現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制。近些年來，基于鼠標(biāo)傳感器的光流傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用與小型無人機中，面向地面時，可以實現(xiàn)對飛行器速度與位置的計算。但是這種鼠標(biāo)傳感器需要外部光源的支持，這與低功耗與高地面距離的需求背離，因此，在該應(yīng)用中采用了基于 CMOS 的圖像傳感器作為光流傳感器。PX4FLOW 是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究生產(chǎn)的光流傳感器，它具有一個 752x480 的 CMOS 傳感器以及 CortexM4F CPU，采用 16mm 的 M12 鏡頭并板載陀螺儀，在運行時對圖像中心的 64x64 像素進行計算，估計出圖像移動的速度，通過陀螺儀得到機體運動的角速度，將該速度從圖像移動速度中補償?shù)?，最終得到機體的實際速度，通過積分獲取位置信息。能夠在室外獲取 250Hz 的更新速率，在室內(nèi)達到 120Hz 的更新速率。其系統(tǒng)框圖如圖 36 所示。 圖 35 px4flow 光流傳感器 圖 36 光流傳感器內(nèi)部框圖 2GPS 傳感器采用了 Fastrax 公司的 UP501 模塊。該傳感器具有 10Hz 的位置更新速率，集成的板載天線，采用串口通訊，位置 精度為 ，速度精度達到 ，時間精度為 50ns。 飛行控制硬件設(shè)計 飛行控制電路主要實現(xiàn)的功能有：讀取傳感器 信息；對傳感器信息進行校正、補償、濾波進而獲取可用的信息，接收 Xbee 通訊模塊的信息，計算控制量并將控制量發(fā)送給電機調(diào)速器。 主控制器選型 通過對需求的分析，可以看出，主控芯片需要擁有豐富的外設(shè)，如 UART、I C 、SPI、PWM 輸出等功能。同時，由于需要對各種傳感器的信息進行校正與濾波，因此要求主控芯片具 有較強的數(shù)字 信號處理能力 ，要求它能夠 較快速地進行 浮點數(shù)20 22哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 運算。綜合處理器速度與飛行控制電路小型化的要求，并且考慮了價格、采購便捷與編程方式等問題，選用了 STM32F407RET6 作為主控制器。 STM32F407 系列芯片是高性能的 ARM Cortex M4 內(nèi)核 CPU。其運行頻率最高可達 168MHz，CortexM4 內(nèi)核具有一個浮點處理單元（FPU），該單元支持所有的 ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令與數(shù)據(jù)類型，它也實現(xiàn)了全套的 DSP 指令與內(nèi)存保護單元，加強了應(yīng)用的安全性。STM32F407 具有如下特性： （1）具有 ARM32 位 CortexM4 內(nèi)核，具有 ART 加速器，允許從 Flash 以 0等待時間執(zhí)行代碼。運行頻率達到 168MHz，可以執(zhí)行 DSP 指令。它具有高達 1M的 Flash 存儲，高達 192K 的 SRAM。具有靈活的靜態(tài)內(nèi)存控制，支持 Flash，SRAM，PSRAM，NOR 與 NAND 內(nèi)存且采用 V 供電，以外部 4MHz 到 26MHz 石英晶體振蕩器提供時鐘源。 （2）具有豐富的片內(nèi)外設(shè)電路，片內(nèi)提供 3 個最高采樣速度 的 12位 AD 轉(zhuǎn)換器且具有通用型 DMA，提供對于 16 個數(shù)據(jù)流的控制。片內(nèi)具有 12 個16 位計時器與 2 個 32 位計時器的同時還具有 15 個通信接口，包括 3 個 I C 接口、6 個串口、3 個 SPI 接口、2 個 CAN 接口、SDIO 接口。而且具有 全速設(shè)備接口與 Ethernet 接口，極大地方便了控制電路的設(shè)計。 電源、通訊接口設(shè)計 飛控電路采用 12V 供電，12V 電源經(jīng)過開關(guān)電源模塊降為 為后部電路供電。 電源經(jīng)過防反接二極管、保險絲后降為 5V 左右的電壓為 MTI 測姿模塊、GPS 接收機、光流傳感器、超聲波傳感器供電。5V 電源經(jīng)過 AMS1117 線性穩(wěn)壓源后降為 ，主要為主控制器、氣壓計、EEPROM、Flash 等數(shù)字電路供電。 MTI 測姿模塊采用 5V 供電，通過 RS232 串口回傳姿態(tài)數(shù)據(jù)，其中包括角速度、 加速 度、磁 航向 、 姿態(tài) 估計等 實時 信息 ，更 新頻 率 256Hz，控 制板 上板 載MAX3232 為串口提供 RS232 電平與 TTL 電平的轉(zhuǎn)換。GPS 接收機采用 5V 供電，通過 TTL 電平的串口通訊，用以獲取經(jīng)緯度、高度、速度、航向等信息，更新頻率 5Hz，由于 STM32F407 的絕大部分管腳均支持與 5V 電平的通訊，中間無需加入額外的電平轉(zhuǎn)換電路。光流傳感器與超聲波傳感器均采用 5V 供電，它們共用一個串口進行通訊，光流傳感器的速度估計更新頻率達到 250Hz，超聲波的數(shù)據(jù)更新頻率為 10Hz。氣壓計采用 供電，通訊接口采用 I C ，數(shù)據(jù)更新頻率達到 100Hz。 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計 由于外部電源斷電之后，主控制器的 SRAM 數(shù)據(jù)丟失，所以重要的參數(shù)將發(fā)生不可逆的丟失，所以在飛控電路中設(shè)計了 EEPROM 對重要的飛行參數(shù)進行儲存。21 EEPROM 采用 I2哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） C 通訊，可以進行以字節(jié)為單位的即時讀寫，因此對于重要參數(shù)，比如 PID控制的參數(shù)的存儲非常方便。因為這些數(shù)據(jù)的總量并不大，而且修改的2時候僅對其中的某幾個少量數(shù)據(jù)進行修改，因此非常適合 EEPROM 以字節(jié)為單位的讀寫。而 Flash 與 EEPROM 的工作方式不盡相同。盡管都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的功能，但是 Flash 還是與 EEPROM 有著讀寫方式的區(qū)別。Flash 在進行數(shù)據(jù)