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1、四旋翼飞行器控制系统四旋翼飞行器控制系统(kn zh x tn)v所属系所属系统：v项目目负责(fz)：v指指导教教师：第一页，共20页。项目项目(xingm)简要简要v 该项目是利用单片机通过调节电机转速来控该项目是利用单片机通过调节电机转速来控制飞行制飞行(fixng)器飞行器飞行(fixng)展开的，通过展开的，通过调节电机来实现四旋翼飞行调节电机来实现四旋翼飞行(fixng)器飞行器飞行(fixng)姿态的控制，使其实现垂直运动、俯姿态的控制，使其实现垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动等运动等6种基本运动状态，利用陀螺仪
2、进行物体种基本运动状态，利用陀螺仪进行物体姿态检测，利用智能传感器技术和姿态检测，利用智能传感器技术和GPS全球卫星全球卫星定位系统使飞行定位系统使飞行(fixng)器在无人操控的情况器在无人操控的情况下实现智能化自主导航、自动返航、地理围栏等下实现智能化自主导航、自动返航、地理围栏等功能。功能。第二页，共20页。项目项目(xingm)意义意义 通通过(tnggu)该项目可以提高小目可以提高小组成成员的的团队协作能力，有利于培养的作能力，有利于培养的实践践创新意新意识与基与基本能力；有助于工程本能力；有助于工程实践素践素质的培养、提高小的培养、提高小组成成员针对实际问题进行行电子子设计制作的能
3、力。制作的能力。这一一项目目对于本于本专业的学的学习具有不可忽具有不可忽视的推的推动作作用。用。第三页，共20页。设计设计(shj)背背景景 四轴飞行器要完成各种任务就需要四轴飞行器要完成各种任务就需要(xyo)依依赖人工无线电遥控导航，人工遥控导航飞行只能赖人工无线电遥控导航，人工遥控导航飞行只能在视野范围内进行，如果四轴飞行器要执行视野在视野范围内进行，如果四轴飞行器要执行视野范围外的任务，就必须自主导航。目前国内四旋范围外的任务，就必须自主导航。目前国内四旋翼飞行器多为人工遥控航模四旋翼飞行器，依赖翼飞行器多为人工遥控航模四旋翼飞行器，依赖于人工遥控，缺乏自主能动性。且受模型准确性于人工
4、遥控，缺乏自主能动性。且受模型准确性和传感器合理性等影响，飞行姿态难以实现精准和传感器合理性等影响，飞行姿态难以实现精准控制，基于这些缺点，我们提出四旋翼飞行器控控制，基于这些缺点，我们提出四旋翼飞行器控制系统这一项目。制系统这一项目。第四页，共20页。国内四旋翼飞行器国内四旋翼飞行器发展发展(fzhn)现状现状 v 2009年，一台叫做年，一台叫做“旋翼飞行机器人旋翼飞行机器人”的空中的空中多功能自主飞行机器人在中国多功能自主飞行机器人在中国(zhn u)中科院沈阳中科院沈阳自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中自动化研究所研制成功，并在灾害搜救的实际测试中取得很好的效果。取得很好的
5、效果。近年来，国内四旋翼飞行器发展迅近年来，国内四旋翼飞行器发展迅速，由人工遥控导航向自主导航发展，它们被用于许速，由人工遥控导航向自主导航发展，它们被用于许多不同领域：航空摄影、空中考古、空中监视、植被多不同领域：航空摄影、空中考古、空中监视、植被调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队调查、消防救灾、边境控制、警察、特种部队和军队等等。等等。第五页，共20页。项目计划项目计划(jhu)目标目标v 计划计划(jhu)目标是在实际测试中，四旋目标是在实际测试中，四旋翼飞行器能完成从自主起飞，然后根据预设的翼飞行器能完成从自主起飞，然后根据预设的航迹点进行自主巡航飞行，悬停在空中或超低航迹
6、点进行自主巡航飞行，悬停在空中或超低空来获取需要的数据或完成一些简单的任务，空来获取需要的数据或完成一些简单的任务，最后进行自主降落等一系列科目。同时可以切最后进行自主降落等一系列科目。同时可以切换人工换人工/自动模式，实现双模式共同操作四旋翼自动模式，实现双模式共同操作四旋翼飞行器。飞行器。第六页，共20页。四旋翼飞行器原理四旋翼飞行器原理(yunl)v 四轴的控制原理就是，当没有外力并且重量四轴的控制原理就是，当没有外力并且重量分布平均分布平均(pngjn)时，四个螺旋桨以一样的转速时，四个螺旋桨以一样的转速转动，在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时，转动，在螺旋桨向上的拉力大于整机的重量时
7、，四轴就会向上升，在拉力与重量相等时，四轴就四轴就会向上升，在拉力与重量相等时，四轴就可以在空中悬停。在四轴的前方受到向下的外力可以在空中悬停。在四轴的前方受到向下的外力时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而时，前方马达加快转速，以抵消外力的影响从而保持水平，同样其它几个方向受到外力时四轴也保持水平，同样其它几个方向受到外力时四轴也是可以通过这种动作保持水平的，当需要控制四是可以通过这种动作保持水平的，当需要控制四轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加轴向前飞时，前方的马达减速，而后方的马达加速，这样，四轴就会向前倾斜，也相应的向前飞速，这样，四轴就会向前倾斜，也相应的向前飞行，同样，
8、需要向后、向左、向右飞行也是通过行，同样，需要向后、向左、向右飞行也是通过这样的控制就可以使四轴往我们想要控制的方向这样的控制就可以使四轴往我们想要控制的方向飞行了。飞行了。第七页，共20页。四旋翼飞行器的四旋翼飞行器的6种基本运动种基本运动(yndng)状状态态第八页，共20页。第九页，共20页。总体总体(zngt)结结构构电池电池(dinch)电调4电调3电调2电调1电机(dinj)1电机2电机3电机4传感器无线传输模块飞行控制板第十页，共20页。控制系统控制系统(kn zh x tn)电电源源v 四旋翼飞行器采用四旋翼飞行器采用3.7伏锂电池供电伏锂电池供电(n din)，用，用1sUS
9、B充电器给锂电池进行充电。充电器给锂电池进行充电。第十一页，共20页。飞行飞行(fixng)控控制板制板 四旋翼飞行控制板计划采用四旋翼飞行控制板计划采用STM32作为主控制器，作为主控制器，STM32是一款基于是一款基于ARM的的32位位MCU的闪存、的闪存、USB、CAN、7个个16位定时器、两个位定时器、两个ADC和和9个通信接个通信接口的芯片。口的芯片。STM32丰富丰富(fngf)的片上的片上资源可满足各类传感器通讯需求，与传统资源可满足各类传感器通讯需求，与传统飞行控制器相比，大大的降低了开发成本，飞行控制器相比，大大的降低了开发成本，节约了资源。是一款非常适合本项目开发节约了资源
10、。是一款非常适合本项目开发使用的单片机。使用的单片机。第十二页，共20页。无线通信模块无线通信模块(m kui)v 无限通信模块采用无限通信模块采用2.4G无线收发模块无线收发模块nRF24L01来实现四旋翼飞行器与遥控器之间信来实现四旋翼飞行器与遥控器之间信息的交互，实现遥控器对四旋翼飞行器的操控，息的交互，实现遥控器对四旋翼飞行器的操控，遥控器用一块遥控器用一块1S锂电池经升压锂电池经升压(shn y)板输出板输出9伏电压作为电源。伏电压作为电源。第十三页，共20页。传感器传感器v为实现四旋翼飞行器的人工智能，除采用为实现四旋翼飞行器的人工智能，除采用(ciyng)传统的传统的6轴传感器轴
11、传感器MPU6050，我们将，我们将尝试用超声波传感器，红外传感器，增加摄像头，尝试用超声波传感器，红外传感器，增加摄像头，用用DSP芯片进行数据处理实现自动壁障，加入电芯片进行数据处理实现自动壁障，加入电压传感器，实现对电源的实时监控，加入了压传感器，实现对电源的实时监控，加入了GPS全球卫星定位系统使其拥有了自动导航等功能，全球卫星定位系统使其拥有了自动导航等功能，在本系统的基础上，我们还将添加电子罗盘，将在本系统的基础上，我们还将添加电子罗盘，将偏航角引入到导航计算中，从而使飞行器的飞行偏航角引入到导航计算中，从而使飞行器的飞行路线更加精确与稳定。路线更加精确与稳定。第十四页，共20页。
12、程序程序(chngx)流流程图程图开始(kish)系统(xtng)初始化3ms中断？数据采集次数=160 xn？接受解码遥控信号设置相应飞行参数采集传感器数据控制量输出进行长周期数据融合进行短周期数据融合第十五页，共20页。创新创新(chungxn)点点v1.采用采用STM32作为主控制器，增强了处理速度。作为主控制器，增强了处理速度。STM32丰富的片上资源可满足各类传感器通讯丰富的片上资源可满足各类传感器通讯需求，与传统飞行控制器相比，大大的降低了开需求，与传统飞行控制器相比，大大的降低了开发成本，节约发成本，节约(jiyu)了资源。了资源。v2.采用采用2.4G无线收发模块无线收发模块n
13、RF24L01，保证了，保证了 信息的传输。信息的传输。v3.采用了采用了C语言编写单机程序，条理清晰。语言编写单机程序，条理清晰。v4.使用了使用了PID控制器进行飞行器的姿态控制，无控制器进行飞行器的姿态控制，无 需对飞行器进行精准的数学建模，且需对飞行器进行精准的数学建模，且PID控制器控制器结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便。结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便。第十六页，共20页。创新创新(chungxn)点点v5.使用了智能使用了智能传感器技感器技术，与，与传统飞行器相比更行器相比更具智能化。具智能化。v6.使用了使用了GPS全球全球卫星定位系星定位系统，使，使飞行器具行器具
14、备了自主了自主导航航(dohng)、自、自动返航、地理返航、地理围栏等等传统人工遥控人工遥控导航航(dohng)飞行器所不具行器所不具备的的功能功能第十七页，共20页。应用应用(yngyng)前景前景v 本项目本项目(xingm)研究成果将为四旋翼飞行研究成果将为四旋翼飞行器更加出色的完成各种任务提供无限可能，也可器更加出色的完成各种任务提供无限可能，也可用于航拍、室内狭小空间的侦查任务用于航拍、室内狭小空间的侦查任务、实时监控、实时监控、儿童玩具等方面。拥有广阔的市场前景。、儿童玩具等方面。拥有广阔的市场前景。第十八页，共20页。实施实施(shsh)思路思路 首先，小组成员对项目进行分析规划，制首先，小组成员对项目进行分析规划，制定合理计划，通过定合理计划，通过(tnggu)指导老师指导、查指导老师指导、查阅相关书籍等方式对所需知识进行积累。阅相关书籍等方式对所需知识进行积累。其次，小组成员了解项目原理并在软件上其次，小组成员了解项目原理并在软件上仿真实现。仿真实现。再次，购买所需设备，组装焊接完成项目再次，购买所需设备，组装焊接完成项目产品。产品。最后，完成项目产品的软硬件调试。最后，完成项目产品的软硬件调试。第十九页，共20页。谢谢(xi xie)！第二十页，共20页。