【正文】 ，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，便于微型化。 通過(guò)比較兩種方案，確定了使用方案二，雖然算法復(fù)雜，但困難是可能被克服的，能夠完成基本任務(wù)；而方案一，算法粗糙，一旦采用，面臨的各種問(wèn)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(guān)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(shè)計(jì) ....................................................... 4 二、單元電路設(shè)計(jì)與計(jì)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(cè)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(shè)計(jì) ................................................................ 14 四、系統(tǒng)測(cè)試 ................................................................ 14 基本部分測(cè)試 ......................................................... 14 測(cè)試方法 ............................................................. 18 測(cè)試結(jié)果 ............................................................. 15 五、結(jié)論 15 六、參考文獻(xiàn) ................................................................ 15 七、附錄 .................................................................... 16 儀器設(shè)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(shè)計(jì) ： 以瑞薩 R5F100LEA 為核心控制超聲波測(cè)距系統(tǒng)，通過(guò)主控芯片記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間，當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，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(wú)人飛行器的穩(wěn)定飛行控制的要求，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性高的控制系統(tǒng)軟件程序，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)調(diào)試工作。根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)控 制算法，設(shè)計(jì)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)控制規(guī)律，主要包括兩個(gè)控制回路：姿態(tài)控制回路、位置控制回路。飛行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 測(cè)量單元主要由慣性測(cè)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(biāo)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，從而得到載體準(zhǔn)確的航向信息和相應(yīng)姿勢(shì)，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(shè)計(jì)方案采購(gòu)了簡(jiǎn)單飛行器機(jī)體模型，選擇合適的直流無(wú)刷電機(jī)作為系統(tǒng)動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)線性度良好、功率滿足一定要求的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì) 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(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有重要的軍事和民用價(jià)值，以及研究?jī)r(jià)值。在深入了解四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景的基礎(chǔ)之上，根據(jù)四旋翼飛行器飛行原理，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，確定了系統(tǒng)組成和總體設(shè)計(jì)方案。選取了功能強(qiáng)大且 容易開(kāi)發(fā)的微處理器、傳感器和相關(guān)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(shè)計(jì)。 四旋翼無(wú)人飛行器要實(shí)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(gè)控制量的欠驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)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(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵。在仿真軟件平臺(tái)上，通過(guò)仿真驗(yàn)證后將算法移植到處理器中，進(jìn)行控制算法驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化飛行控制算法參數(shù)。最終設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，僅由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電路簡(jiǎn)單，利于一鍵起飛。為了達(dá)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(jì)分別用了三個(gè) 16 位的 ADC，將其測(cè)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(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速 來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)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(shè)計(jì)與計(jì)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種飛行器。相較于 典型的傳統(tǒng)直升機(jī)，僅僅裝配有一個(gè)主轉(zhuǎn)子和一個(gè)尾槳，通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)改變螺旋槳的槳距角，從而控制直升機(jī)的姿態(tài)和位置的飛行模式， 四旋翼飛行器 是通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。 對(duì)于姿態(tài)測(cè)量和控制的編程算法來(lái)說(shuō)，十字模式較 X模式簡(jiǎn) 5 單，前者的飛行模式是通過(guò)只改變單個(gè)機(jī)翼轉(zhuǎn)速的方法而完成前后左右四個(gè)方向的飛行；而后者的飛行模式是通過(guò)同時(shí)控制兩個(gè)機(jī)翼轉(zhuǎn)速的方法而完成前后左右四個(gè)方向的飛行。 X模式算法復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)。 圖 1 十字模式算法 四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動(dòng)作的原理 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖 2所示，電機(jī) 1 和電機(jī) 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。 四旋翼飛行器在空間共有 6個(gè)自由度（分別沿 3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），這 6個(gè)自由度的控 制都可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖 3中，電機(jī) 1和電機(jī) 3作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī) 2和電機(jī)4作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運(yùn)動(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。在圖中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼 轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之