科学技术基于n平台的四轴设计与飞行控d制实现来志勇王非朱训李莉莉南通大学电子信息学院:rl摘要本文介绍实现基于Adu二平台的四轴飞行器硬件组成两种手势各有不同主要是左右手使用习惯的差异。和飞行控制。整个系统使用rAd二二编译平台以ATMeag328P单片机为核心控制系统以无别直流电机为核心动力驱动系统以24GHz无线遥控收发器为核心无线遥控系统。通过采集MPU0605模块集成的三轴数字陀螺仪和三轴数字加速度传感器数字气压传感器尹M0P58)以及三轴数字磁阻传感器(HMc5883L)获取的数据以IPD算法处理实现四旋翼姿态控制。关键词:四轴无人机;控制系统;姿态控制四轴飞行器凭借其性能优良和操作简便的优点已成为当前主流无人飞行器。四轴飞行器是指由4个电机推动飞行的无人机。通过对四个电机的IPD控制(即通过PID算法改变每个电机的相对速度来改变推力进而改变各个方向的扭矩)得以实现对无人机方向和速度的控制。而rAdlulo平台的编程语言是建立在/CC料基础上简单来讲即基础的C语言。Ardullo平台把AVR系列单片机相关的底层硬件参数封装成函数使用者可以不用了解他的底层快速实现所需功能同时Ardlulo也支持ISP在线烧录使用方便。当前我们国内四轴飞行器由于起步较晚缺乏核心技术以致应用领域相当受限。国外例如欧美等发达国家在四旋翼领域已经取得相当大的成就应用到了军事商业等多个领域。1四轴飞行器控制系统11总体架构本系统以ATMgea328P单片机为核心控制芯片使用Adrlulo平台编程语言通过离散式采集运动传感器包括MPu6050三轴数字陀螺仪三轴数字加速度传感器BMP058数字气压传感器HMC588L3三轴数字磁阻传感器的数据以及接收2井GH:无线遥控器发送的数据通过IPD算法处理控制电调驱动电机产生相应以达到实现四旋翼姿态控制的目的。12四轴飞行器硬件主要模块有:飞行控制模块、电机旋翼电调模块、机身模块、电源模块、遥控器模块121飞行控制模块集成主控芯片模块:ATMgea328P单片机;数据采集模块:MPu6050三轴数字陀螺仪+三轴数字加速度传感器(自动稳定用)BMP085数字气压传感器(锁定高度用)HMC5883L三轴数字磁阻传感器(电子罗盘锁定航向用);电源模块:分离的双路电源稳压器33V/5V的最大电流为150mA/50mA等。通过数据采集模块采集飞行数据包括俯仰角翻滚角气压值航向角送到主控芯片进行算法处理做出姿态调整使四旋翼飞行平稳飞。122机身模块采用4F50型号机架固定飞行控制模块、电源和连接电机、电调、旋翼。机架力臂采用PA66+30%超高强度材料制成耐摔、耐撞击。主体采用集成PCB板连线配备高强度镀金复合PCB电路板使电源、电调等连线更加快捷、安全。123电机旋翼电调模块电机采用外转子221A无刷电机驱动螺旋桨旋转。无刷电机具有功率大使用寿命长以及不存在磨损的特点。旋翼在桨片上以“’L字母标注的是正桨从正桨片的正面来看桨片以逆时针旋转拨动气流。在桨片上以“’R字母标注的是反桨从反桨片的正面来看桨片以顺时针旋转拨动气流。在四个旋翼转速一致时假如都用逆时针转动的桨片话每个桨片都会产生一个逆时针旋转的自旋扭力使得整个飞控向右自旋。四轴为抵消这种自旋需用2个正桨片2个反桨片2个顺时针转的桨片2个逆时针转的桨片按照顺序排列一对桨片产生偏左扭矩一对桨片产生偏右扭距相互抵消使飞机所受力矩均衡。12井遥控收发器模块包括遥控器和接收机两部分使用2井GHz频率。遥控器操作包括左右、上下、前后等。目前主流遥控器有`旧本手”和“美国手”125电源模块动力电池使用聚合物铿电池准L育电压稳定电力持久的特点。2四轴飞行器控制实现21飞行原理四轴飞行器结构框架:在X模式下飞控板上箭头指向前端机的中间位置飞行灵活多变适合特技飞行但设计实现较。22姿态角的IPD调整数字IPD控制算法支持在线调试。P是指比例、I指积分、D微分。主控芯片处理器根据采样时刻偏差值计算控制量也就是进行离散式控制。这是因为处理器只能进行采样控制。过程中号采样周期连续时间分别以k、T、t表示即离散时间用kT表示。算法中用增量形式代替连续时间微分形式用求和形式替连续时间积分形式r澎kT买l(eld)之:艺(e,:卜:j=0艺。]=Ude(t)_e(kT)一el(k一l)Tl_e一e二1drTT将上式代人PID计算公式(TI为积分常数Kp为比例系数TD为微分常数)·(,,一凡:(,卜头加t)d+,;一惚璃散PID表达式:+“。=K[一儿一孔TT半〕*ù凡其Je+知一,)1T定义微分系数从-积分系数K=K一T采用增量式PID算法得u卜1一凡(error(k一l))+尤艺error(,)J=O+Kd(error(k)一error(k一l))Au*=凡(e厅or(k)一error(k一l))+尤error(k)+dK(error(k)一Zerorr(k一l)+e斤or(k一2)将飞行器质量参数、角度参数分别带人上式经化简后可得到结果。当然在调试过程中由于受到电压阂值的、放大饱和度的约束等算法无法达到预期值所以整个飞控算法必须要有修正。当四旋翼在大幅度加减速时IPD中含积分项会得到较大积累这时会超过系统预定范围。为了修正、消除和减弱上述出现的问题可以在适当时刻去掉积分项避免或减弱因饱和效应产生的影响。3结语本设计是基于Ardlulo语言编译平台实现的四轴飞行器设计与飞行控制。在进行多次实地的飞行演练后发现飞行稳定性能良好基本实现悬停。同时飞行控制较为简单方便可以适应不同人群。四轴飞行器凭借其优越的机动性能低廉的成本简单的构使其具有极其广泛的应用前景在军事侦查农业监测区救援以及快递运输等领域将越来越多的出现它的身影。参考文献:[1]费科程吴佳伟邱晓荣基于Mulitwi的开源四轴飞行器[J]电脑知识与技术201428:6758一67602[]李秀英刘彦博基于PwM的四旋翼飞行器控制方法[.]J吉林大学学报(信息科学版)201105:4一4723[]方美发李龙棋唐晓腾种四旋[J]闽江学院学报201402:59一66一翼飞行器样机的制作通信作者:亲志勇加16年1月一29两电难指指采样序代机械结灾
