【正文】 件下飛行。飛行器動作依靠 4個電機的轉(zhuǎn) 速差進行控制，其機械結(jié)構(gòu)相對簡單，可由電機直接驅(qū)動，無需復雜的傳動裝置，便于微型化。 通過比較兩種方案，確定了使用方案二，雖然算法復雜，但困難是可能被克服的，能夠完成基本任務；而方案一，算法粗糙，一旦采用，面臨的各種問題是難以想象的，所以確立為方案二。 ： 考慮以上方案，受外力影響大，稍有傾斜，飛行器將失去平衡。 關鍵詞： 四旋翼飛行器 瑞薩 R5F100LEA PWM 陀螺儀 超聲傳感器 2 Abstract Four rotor aircraft is a kind of novel structure, superior performance of vertical takeoff and landing aircraft, has many characteristics, such as flexible operation and load ability, has the important value of military and civilian, and research value. In understanding the research status of four rotor aircraft, the key technology and the application prospect, according to the principle of four rotor aircraft flight, establish a system dynamics model, the system position and the overall design scheme is determined. First according to the design plan to purchase the simple vehicle body model, select the appropriate brushless dc motor as the power unit system, design good linearity and power meet certain requirements of brushless motor drive, to meet the needs of the four rotor aircraft flying on load. Selected the powerful and easy development of microprocessors, sensors and related electronic ponents meet the needs of the system, and made a lot of system hardware and software debugging, finally pleted the overall design. Aircraft motion measurement unit is mainly posed of inertial measurement unit (IMU) and a threeaxis magic sensor, according to the sensor performance index, build the mathematical model of the carrier to get the exact course information and the corresponding position, provide important guarantee for aircraft flying system stable. Four rotor unmanned aerial vehicles to achieve stable flight is the premise of the balance control, due to the aircraft has six degrees of freedom only four control of underactuated control system, by adjusting the motor speed to achieve four aircraft flying balanced and stable, so the balance control is key in the four rotor aircraft movement. On the simulation software platform, through the simulation verify the algorithm after transplantation into the processor, verifies the control algorithm and experimental research, optimization of flight control algorithm parameters. Finally, in order to meet the requirements of the stability of the four rotor unmanned spacecraft flight control, high realtime performance of control system software design, carries on the related experimental debugging. A key to achieve ultimately designed to fly, high efficient and automatic four rotor aircraft. Keywords: four rotor aircraft renesas R5F100LEA PWM gyroscope ultrasonic sensors 3 目 錄 一、系統(tǒng)方案比較與設計 ...................................................... 4 二、單元電路設計與計算 ...................................................... 4 1. 四旋翼飛行器飛行模式 ................................................ 4 2. 系統(tǒng)硬件芯片的選 擇 ................................................. 10 飛行姿態(tài)的測量 ..................................................... 12 超聲波傳感器高度控制 ................................................ 12 電源模塊 ........................................................... 13 硬件電路圖 ......................................................... 13 三、程序設計 .............................................................. 14 四、系統(tǒng)測試 .............................................................. 14 基本部分測試 ....................................................... 14 測試方法 ........................................................... 18 測試結(jié)果 ........................................................... 15 五、結(jié)論 15 六、參考文獻 .............................................................. 15 七、附錄 .................................................................. 16 儀器設備清單 ....................................................... 16 程序清單 ........................................................... 16 1主函數(shù) ........................................................... 16 子函數(shù) ......................................................... 17 4 一、系統(tǒng)方案比較與設計 ： 以瑞薩 R5F100LEA 為核心控制超聲波測距系統(tǒng)，通過主控芯片記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間，當收到超聲波的反射波時，接受電路利用 PWM調(diào)制法，使飛行器根據(jù)不同高度，控制脈沖占空比，從而控制速度。最后，為了滿足四旋翼無人飛行器的穩(wěn)定飛行控制的要求，設計實時性高的控制系統(tǒng)軟件程序，進行相關實驗調(diào)試工作。根據(jù)系統(tǒng)動力學模型設計控 制算法，設計四旋翼飛行器控制系統(tǒng)控制規(guī)律，主要包括兩個控制回路：姿態(tài)控制回路、位置控制回路。飛行器運動姿態(tài) 測量單元主要由慣性測量單元 (IMU)和三軸磁傳感器組成，根據(jù)其傳感器的性能指標，構(gòu)建數(shù)學模型，從而得到載體準確的航向信息和相應姿勢，為飛行器系統(tǒng)穩(wěn)定飛行提供重要的保障。首先根據(jù)設計方案采購了簡單飛行器機體模型，選擇合適的直流無刷電機作為系統(tǒng)動力裝置，設計線性度良好、功率滿足一定要求的無刷電機驅(qū)動器，以滿足四旋翼飛行器帶載飛行需要。 四旋翼自主 垂直起降 飛行器 設計 摘要： 四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)越的垂直起降飛行器，具有操作靈活、帶負載能力強等特點，具有重要的軍事和民用價值，以及研究價值。在深入了解四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀、關鍵技術(shù)與應用前景的基礎之上，根據(jù)四旋翼飛行器飛行原理，建立系統(tǒng)動力學模型，確定了系統(tǒng)組成和總體設計方案。選取了功能強大且 容易開發(fā)的微處理器、傳感器和相關電子元器件滿足系統(tǒng)需要，并做了大量的系統(tǒng)軟硬件調(diào)試工作，最終完成了整體設計。 四旋翼無人飛行器要實現(xiàn)穩(wěn)定飛行是以平衡控制為前提的，由于該飛行器具有六自由度而只有四個控制量的欠驅(qū)動的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)飛行器平衡穩(wěn)定飛行，因此平衡控制是四旋翼飛行器運動中的關鍵。在仿真軟件平臺上，通過仿真驗證后將算法移植到處理器中，進行控制算法驗證及實驗研究，優(yōu)化飛行控制算法參數(shù)。最終設計出能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵飛行、高效的四旋翼自主飛行器。該方法較易實現(xiàn)，僅由電機直接驅(qū)動，電路簡單，利于一鍵起飛。為了達到控制飛行器平衡穩(wěn)定飛行，外加 MPU6050 模塊， MPU6050 中陀螺儀和加速度計分別用了三個 16 位的 ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，這 些數(shù)字量輸入到主控芯片，結(jié)合精密算法，調(diào)節(jié)脈沖占空比，調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速 來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。 二、單元電路設計與計算 帶防撞的四旋翼飛行器 四旋翼飛行器飛行模式 四旋翼飛行器是一種由固連在剛性十字交叉結(jié)構(gòu)上的 4個電機驅(qū)動的一種飛行器。相較于 典型的傳統(tǒng)直升機，僅僅裝配有一個主轉(zhuǎn)子和一個尾槳，通過控制舵機來改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機的姿態(tài)和位置的飛行模式， 四旋翼飛行器 是通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。 對于姿態(tài)測量和控制的編程算法來說，十字模式較 X模式簡 5 單，前者的飛行模式是通過只改變單個機翼轉(zhuǎn)速的方法而完成前后左右四個方向的飛行；而后者的飛行模式是通過同時控制兩個機翼轉(zhuǎn)速的方法而完成前后左右四個方向的飛行。 X模式算法復雜，可操作性不強。 圖 1 十字模式算法 四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動作的原理 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖 2所示，電機 1 和電機 3 逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2 和電機 4 順時針旋 轉(zhuǎn)，因此當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。 四旋翼飛行器在空間共有 6個自由度（分別沿 3個坐標軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這 6個自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。在圖 3中，電機 1和電機 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機 2和電機4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機轉(zhuǎn)速下降。在圖中，因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機