基于DSP的四旋翼无人飞行器设计本科毕业论文设计

基于DSP的四旋翼无人飞行器设计本科毕业论文设计 本科毕业论文(设计) 题 目基于DSP的四旋翼无人飞行器设计 学 院 电XXXXXXXXX学院 专 业 通信工程 年 级 2011 级 学 号 XXXXXXXXXXXXXXX 姓 名 XXXXXXX 指 导 教 师 XX 成 绩 年 月 日 目 录 摘要:.............................................................. 1 Abstract: ........................................................... 1 第一章 导论......................................................... 2 1.1四旋翼飞行器技术 ................................................ 2 1.2四旋翼飞行器技术发展历史 ........................................ 2 1.3 四旋翼飞行器发展的现状.......................................... 3 1.4 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术................................ 3 1.4.1最优化总体设计 ................................................ 3 1.4.2动力与能源 .................................................... 3 1.4.3数学模型的建立 ................................................ 4 1.4.4飞行控制 ...................................................... 41.5论文内容安排 .................................................... 4 第二章 四旋翼无人飞行器系统硬件设计................................. 6 2.1系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 介绍 .................................................... 6 2.2主要器件介绍 .................................................... 6 2.2.1 TMS320F28335介绍 ............................................. 6 2.2.2 MPU6050介绍 .................................................. 7 2.2.3 HMC5883L介绍 ................................................. 7 2.2.4 BMP085介绍 ................................................... 8 2.2.4 PTN78000W介绍 ................................................ 9 2.2.5 WIFI模块 ..................................................... 9 2.3系统硬件概述 ................................................... 10 2.4方案选择 ....................................................... 11 2.4.1方案设计 ..................................................... 11 2.4.1方案比较 ..................................................... 11 2.5硬件平台总体设计 ............................................... 12 2.5.1电机控制电路 ................................................. 12 2.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集 ................................ 12 2.5.3 WIFI无线通信电路 ............................................ 13 2.5.4电源电路 ..................................................... 13 第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计................................ 15 3.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计 ................................... 15 3.1.1四旋翼飞行器运动分析 ......................................... 15 3.1.2四旋翼飞行器数学建模 ......................................... 15 3.1.3自主飞行控制算法的设计 ....................................... 16 3.1.4程序流程图 ................................................... 17 3.2基于Labview上位机软件设计 ..................................... 17 3.2.1 Labview介绍 ................................................. 17 3.2.2基于Labview上位机结构介绍 ................................... 18 第四章 硬件电路制作和调试.......................................... 23 4.1 硬件电路的制作................................................. 23 4.2 硬件调试....................................................... 24 4.3 软件调试....................................................... 24 4.3.1飞控软件调试 ................................................. 24 4.3.1上位机软件调试 ............................................... 24 第5章 总结....................................................... 26 参考文献:......................................................... 27 致谢............................................................... 28 基于DSP的四旋翼无人飞行器设计 XXX XX大学电子信息工程学院，重庆 400715 摘要:本文以四旋翼飞行器为研究对象～以TMS320F28335为核心～搭建飞行器硬件平 台～实现四旋翼飞器的姿态控制。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬件设计方法～ 包括传感器模块、无线通信模块和电机模块,采用基于RBF神经网络整定的PID控制策 略～最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。 关键词:四旋翼飞行器;控制系统;DSP Quadrotor UAV Control System Based on DSP XXXX xxxx School of Electronic and Information Engineering, XXXXXX University, Chongqing 400715, China Abstract:This dissertation focuses the development of the control system of Quadrotor UAV using TMS320F28335, including the design of hardware platform of UAV and the development of attitude control. The overall structure of control system and hardware design methods, including sensor module, wireless communication module and the motor module, are introduced in detail. RBF neural network tuning PID control strategy was employed, and the designed UAV can vertically take off (or land), hover, carry load, and be controlled remotely. Key words: Quadrotor UAV; control system; DSP 1 第一章 导论 1.1四旋翼飞行器技术 四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由4 个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多 [1] 位一体的无人驾驶工具。 1.2四旋翼飞行器技术发展历史 四旋翼飞行器的设计有两个阶段。在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士Charles Richet制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但是启发了他的一个学生Louis Bréguet。1906年下半年，Louis 和Jacques Bréguet在Richet教授的指导下做他们自行设计的直升机试验。1907年，Bréguet兄弟制作了他们第一个载人四旋翼飞行器-Bréguet-Richet Gyroplane No.1，旋翼直径大约8.1米，载人时重约578千克。在法国Douai首次试飞，载人飞行高度1.5米。飞行员除了能控制发动机的油门来改变转子的转速外，无法进行任何操作，而且稳定性很差。然而，当时飞行器只是处于起步阶段，很显然Bréguet兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著的成就。 这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行器。然而，早期的原型机表现欠佳，后来的原型机稳定性比较差，实用性和操控性低，所以载人四旋翼飞行器的发展几乎停滞。 第二个阶段即从21世纪初开始至现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电动，逐渐被各国所接受，主要是无人机(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)，广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类:固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器:具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四旋翼飞行器作为旋翼无人机中的佼佼者具有其他飞行器难以比拟的优点:可垂直起降(Vertical Take Off and Landing，VTOL);执行精确缓慢的运动、悬停;拥有更大的载荷量和良好的操控性;能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞;尤其可以在多障碍和狭小的空间穿越飞行。这些优势使四旋翼飞行器在执行搜救和侦察等任务方面游刃有余，决定了四旋翼飞行器具有更广阔的应用前景。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。 MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全 2 采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力。飞行时间不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS(姿态、高度及航向参考系统)，集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失 [2]去控制信号时自主降落。 1.3 四旋翼飞行器发展的现状 四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由4个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上属于微型无人飞行器，一般可以分为3类:遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。 目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国外的四旋翼因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加快了多旋翼飞行器发展。欧美发达国家四旋翼飞 [3]行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果。 1.4 微小型四旋翼飞行器发展的关键技术 迄今为止，微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还面临着诸多关键技术的挑战。 1.4.1最优化总体设计 进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则:重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾，例如:飞行器 重量相同时，其尺寸与速度、能耗成反比。因此，进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，首先要根据性能 和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量;其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。 1.4.2动力与能源 动力装置包括:旋翼、微型直流电机 、减速箱、光电码盘和电机驱动模块， 3 能量由机载电池提供。微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占 了很大比例。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。 另一方面，动力装置产生升力时，消耗了绝大部分机载能量。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下将电 [4]机工作点配置在推荐运行区域内。 1.4.3数学模型的建立 为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用(空气动力、重力 、陀螺效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难建立有效、可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，很难获得准确的气动性能参数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段。 1.4.4飞行控制 微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度(位置与姿态) 和4个控制输入(旋翼转速)的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制器性能还将受到模型准确性和传感器精度的影响。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为微小型四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系(俯仰,横滚直接引起机体向前后,左右移动) ， P I D控制律就足以实现其位置与速度控制。如果能精确控制飞行器姿态，则采用 国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明:尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，其实际控制效果反而不如PID。因此，研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。 本文的方案是以TMS320C28335为主控芯片，利用加速度计、惯性传感器和陀螺仪传感器形成系统飞控硬件模块，通过PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))算法控制四旋翼进行控制操作;外加摄像头，湿度传感器等传感器作为功能模块实现信息采集;最后利用无线模块实现远距离 [5]全双工通信功能。 1.5论文内容安排 本文以四旋翼无人飞行器系统为主体，分别从硬件和软件对整个设计方案详 4 细介绍。具体的章节和各章的内容安排如下: 第一章:介绍本论文的研究意义，在四旋翼无人飞行器技术的现状和特点的基础上，确定了本文所做的主要工作。 第二章:介绍了系统的硬件设计，确定了系统功能和设计方案，详细介绍了器件的选择和各模块电路。 第三章:介绍了系统软件设计。 第四章:介绍了系统调试所做的工作。 第五章:总结本设计取得的一些成果，并对课题发展进行了展望。 5 第二章 四旋翼无人飞行器系统硬件设计 2.1系统方案介绍 本设计利用TMS320F28335强大的运算和控制能力，通过九轴姿态采集模块实现四旋翼飞行器飞行状态原始数据采样，再通过TMS320F28335进行加速度和角速度数据融合和卡尔曼滤波处理，实现四元数输出，得到姿态实时数据。每次数据采集和处理均放在定时器中处理，以实现精确、准时采集和处理。最后通过PID算法等数据处理实现飞控器的姿态控制用以达到四旋翼的悬浮等操作，设计中充分运用了TMS320F28335强大的浮点运算能力得以实现。 2.2主要器件介绍 2.2.1 TMS320F28335介绍 TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。 TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮 点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。 F28335在保持150MHz时钟速率不变的情况下，新型F28335浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高50%。与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换(FFT)等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一 [6]倍之多。 图2-1:TMS320F28335 Figure 2-1:TMS320F28335 6 2.2.2 MPU6050介绍 MPU-6000(6050)为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。 1、感测范围:MPU-6000(6050)的角速度全格感测范围为?250、?500、?1000与?2000?/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为?2g、?4g?8g与?16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI(MPU-6050没有SPI)。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V?5%、3.0V?5%或3.3V?5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V? 5%(MPU6000仅用VDD)。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有?1%变动的振荡器。 2、应用:运动感测游戏 现实增强 电子稳像 (EIS: Electronic Image Stabilization) 光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization) 行人导航器 “零触控”手势用户接口 姿势快捷方式 认证 3、市场:智能型手机 平板装置设备 手持型游戏产品 游戏机 3D遥控器 可携式导航设备 4、特征:以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。具有131LSBs/?/sec敏感度与全格感测范围为?250、?500、?1000与?2000?/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为?2g、?4g、?8g和?16g的3轴加速器。 移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。运动处理数据库支持Android、Linux与Windows 内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。以数位输出的温度传感器以数位输入的同步引脚(Sync pin)支援视频电子影相稳定技术与GPS可程式控制的中断(interrupt)支援姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。VDD供电电压为2.5V?5%、3.0V?5%、3.3V?5%;VDDIO为1.8V? 5% 陀螺仪运作电流:5mA，陀螺仪待命电流:5µA;加速器运作电流:350µA，加速器省电模式电流: 20µA@10Hz 高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口(serial host interface) 内建频率产生器在所有温度范围(full temperature range)仅有?1%频率变化。使用者亲自测试10,000g碰撞容忍度为可携式产品量身订作的最小最薄包装 [7](4x4x0.9mm QFN)符合RoHS及环境 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 2.2.3 HMC5883L介绍 霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁 7 传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1?~2?的12位模数转换器。简易的I2C系列总线接口。HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电 [8]子、汽车导航系统和个人导航系统。 表2-1芯片参数 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 : The table 2-1 shows the parameters of chip: 磁场范围 满量程(FS)-全部施加磁场(典型) -8 +8 高斯(gauss) 磁场动态 3-bit增量控制 ?1 ?8 高斯 线性 ?2.0高斯输入范围 0.1 ?%满量程 解析时间 VDD=3.0V,GN=2 5 毫高斯 启动时间 I2C控制准备时间 200 us 磁带 ?2.0高斯输入准备时间 ?25 ppm 测试条件:总想区域=0.5gauss， 纵向灵敏度 ?2% %FS/Gauss Happlied=?3gauss 输出速率 持续测量模式 0.75 75 Hz 单一测量模式 160 Hz 开关时间 I2C指令等待 200 us 测量周期 从接收指令到数据准备 6 ms 增益公差 所有增益/动态范围设置 ?5 % I2C地址 7bit地址 0x1E hex 8bit读取地址 0x3D hex 8bit写入地址 0x3C hex I2C率 由I2C主机控制 400 kHz I2C滞后性 施密特触发器脉冲输入在SCL和 0.2*VDDIO V SDA上的滞后性-下降(VDDIO=1.8V) 0.8*VDDIO V 上升(VDDIO=1.8V) 自测试 X&Y轴 ?1.16 V Z轴 ?1.08 V X&Y轴(CN=100) 510 LSb Z轴(GN=100) 2.2.4 BMP085介绍 BMP085作为新一代高精度气压传感器与SMD500的功能和引脚是完全兼容的。通用的SMD500/BMP085 C代码(BMP085-SMD500-API)与SMD500也是兼容的，但是要注意器件ID。正在使用SMD500气压传感器的用户如果打算使用BMP085气压传感器并得到第一手资料，请尽快联系BOSCH公司。 BMP085的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于手机、PDA、GPS 8 导航器件以及户外装备上。BMP085在低的高度噪声(merely 0.25)快速转换的情况下，表现很好。 BMP085是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性。 Bosch公司的气压传感器(在自动控制应用领域)是世界市场上的领军，基于200百万气压传感器这制造经验，BMP085继续了新一代的微型气压 [8]传感器。 关键特性 : 1、压力范围:300~1100hpa(+9000m~-500m海拔高度); 2、电压范围:1.8V~3.6V(VDDA)，1.62~3.6V(VDDD); 3、封装大小:长宽5*5mm高1.2mm; 4、Low power 、Low noise; 5、内含温度测量--I2C接口; 6、全标准(内含标准数据校准); 7、MSL1 2.2.4 PTN78000W介绍 PTN78000是一系列的高效率，降压集成开关稳压器(ISR)，在系列产品中受欢迎的78ST100第三代演变。新的设计考虑了78ST100，PT78ST100，PT5100，和PT6100系列单列直插引脚(SIP)的产品。PTN78000是比它的之前系列产品更小更轻，并具有类似的或改进的电气性能特点。在要求体积小的情况下，双面封装，也具有更好的热性能，符合RoHS和无铅。 运作在宽输入电压范围，提供了高效的PTN78000，设置使用一个外部电阻器降压电压转换为高达1.5A的输出电压的负载。PTN78000w可设置范围内的任何值2.5V至12.6V，和从11.85 V到22V的输出电压的PTN78000w的PTN78000h可低至2V低于输入，允许工作到7V，在5V的输出电压的ptn78000h输出电压可低至3V低于输入，允许运行到15V，12V的输出电压。 PTN78000具有欠压锁定和积分/关闭抑制。该模块是适用于各种各样的通用 [9]应用程序，用12V，24V，或28V电压供电。 图2-2:PTN7800w Figure 2-2:PTN7800w 2.2.5 WIFI模块 USR-WIFI232-T超低功耗嵌入式WIFI模组提供了一种将用户的物理设备连 9 接到WIFI无线网络上，并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模组硬件上集成了MAC，基频芯片，射频收发单元，以及功率放大器;嵌入式的固件则支持WIFI 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 以及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。USR-WIFI232-T是一款一体化802.11b/g/nWIFI的低功耗解决方案，通过USR-WIFI232-T模组，传统的低端串口或MCU控制的设备均可以很方便的接入WIFI无线网络，从而实现物联网控制与管理。 USR-WIFI232-T采用业内最低功耗嵌入式结构，并针对智能家具，智能电网，手持设备，个人医疗，工业控制等这些低流量低频率的数据传输领域的应用，做了专业的优化。 USR-WIFI232-T是一款集成了所有WIFI功能的小巧模块，尺寸仅22mm x 13.5mm x 6mm。针对照明和插座等应用领域采用了1x10管脚2mm插针连接器，易于焊装在客户产品的硬件单板电路上。模块配备有特制的焊盘或外置天线连接 [10]器，适于各种外置天线的应用。 2.3系统硬件概述 四旋翼无人飞行器系统主要包括:DSP最小系统、六轴传感器、气压计、电 电源。其结构框图如图1所示，DSP采用子罗盘、电调、电机、机架、机翼和 TMS320F28335，它是整个系统控制的核心部件。六轴传感器、气压计、电子罗盘作为系统对飞行器姿态和空间状态的数据采集。电源采用PTN7800w将12v电池转3.3V的直流。至于如何进行飞行姿态的数据采集、姿态控制和电源稳定供电，它的选择直接影响整个系统的效果，下一节将介绍有关于这方面的选择，这里就不做介绍。 图2-3:系统样式 Figure 2-3: System style 10 2.4方案选择 2.4.1方案设计 根据设计题目基于DSP的四旋翼无人飞行系统的设计可知，系统采用的是DSP为控制器件，通过其强大的浮点运算单元，可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%。利用高精度HRPWM控制四旋翼，能够更好实现算法要求，达到设计目标。为此提出了关于两种实现四旋翼无人飞行器系统的设计方案，下面将一一为大家介绍。 方案一:原始传感器数据处理融合、卡尔曼滤波和PID姿态控制 在运动控制系统中，传统上就往往将速度传感器测量到的速度和加速度计测量到的加速度进行单独处理，没有将两者的信息进行数据融合。由物理定律可知，加速度与速度成导数关系，所以两者的数据是存在内在联系的，完全可以根据信息融合理论对两者数据进行综合处理，从而得到更加准确的结果。卡尔曼滤波器是常用的一种数据融合技术，它利用迭代递推计算的方式，对存贮空间要求很小。再利用PID算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。 方案二:利用MPU6050内部基础DMP、PID控制算法 通过查阅MPU6050芯片资料，内部集成了DMP运动处理器，可以最六轴数据直接进行处理得到四元数数据，最后通过I2C输出到DSP芯片中。再结合电子罗盘和气压计传感器得到的数据再进一步融合就得到了飞行器的实时姿态数据。最后利用PID算法将采集得到的姿态数据进行控制处理实现飞行器的平稳可控飞行。 2.4.1方案比较 1)复杂性:方案一采取用原始数据融合，卡尔曼滤波算法等操作;而这些过程在方案二中使用DMP和简单数据融合操作就可以代替，所以方案二设计简单。 2)准确性:方案一和方案得到的数据通过查阅数据手册都是一样结果，比较精确，并且响应速度快。 3)局限性:由于方案一中使用的DSP处理程序比较复杂，因为涉及到现代信号处理超出了我们的学习范围，而方案二传感器内部数据处理就使程序简单化了。 11 综合以上理由，本系统选择方案二。 2.5硬件平台总体设计 硬件平台大致可以分为4个部分:核心部分(TMS320F28335)、传感器部分(MPU6050、HMC5883L、BMP085)、电源供电部分、机架和机翼部分。 总体设计框图如图2-3所示: 无刷电机A电调A四路 pwm控WiFi无线通讯模块无刷电机B电调B制信号 TMS320F28335九轴姿态传感器(MPU6050+HMC5883L)无刷电机C电调C 气压计(BMP085) 无刷电机D电调D 3S 2200mABuck电源转换输 电池电源出5v/3.3v 图2-3硬件系统总体框图 Figure 2-3 The overall block diagram of hardware system 系统主要由DSP、传感器、电源模块和电机等组成。系统的工作方式主要是，对传感器进行快速数据采集，将采集得到的数据输入到DSP中，通过对数据融合滤波等处理后进行PID算法实时控制飞行器姿态，同时和上位机保持数据通信，是的上位机能搞实时采集飞行器的数据以及对飞行器进行姿态控制。 工作过程: 上机之后等待上位机命令，当得到起飞命令后，转动机翼开始起飞。飞行过程中，实时采集姿态数据，DSP对姿态数据进行处理，最后通过PID算法对飞行器飞行姿态进行控制使得平稳飞行。电源选择DC12V电池供电，在经过电压转换得到5v和3.3v输出。 2.5.1电机控制电路 本研究采用直接利用商品电调控制无刷电机方案，实现了DSP输出PWM脉冲控制电调，从而对电机达到线性控制目的。控制方式为调整输出PWM周期为10ms，停车为1ms高电平，最大油门值为2ms高电平。 2.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集 MPU6050的角速度全格感测范围设定为?250/sec(dps)，可准确追踪快、慢 12 速动作，该传感器传输可透过最高至400kHz的IC，精确采集四旋翼飞行器3个方向的角速率和线加速度。 在惯性导航算法中，导航参数会随着传感器的测量误差积累而发散，因而不能长时间自主飞行，故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMC5883校准惯性导航系统的姿态。采用I2C协议通信，经过转换电路之后可以和DSP的I2C口通信。 2.5.3 WIFI无线通信电路 无线通信模块是四旋翼无人飞行器和地面控制中心通信的桥梁。本研究要求的无线传输距离为100m左右。利用WIFI进行无线通信。通过PC机内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈实现数据传输，同时WIFI信息传送数据速率可以达到600Mbps，配置、使用方便，在100m之内传输稳定可靠。最终可实现上位机对其数据采集和实时操控。 通过DSP与WIFI模块通过UART串口连接，通过串口通信使得数据发送和接受能够快速进行。通讯方式采用的是异步串行通信，支持全双工串行通信，通过编程可以将8位字节数据写入UART中，UART自动将改接的8位二进制数变成串行数据，在不同时刻从TXD引脚输出发送;同时对于不同时刻从引脚RXD输入的串行数据，UART自动变换成字节，可以编程读取后进行处理。 上下位机通信协议如下: 1)下位机发送，上位机接收: 0x88 0xA1 数据 „„ 数据 校验位 2)上位机发送，下位机接收: 0x88 0xA2 数据 „„ 数据 校验位 2.5.4电源电路 电源设计利用3S2200mA电池输出12v电压进行转换得到。因为电池电量不够大，所以设计时候使用开关电源Buck电路实现高转换效率输出得到5v电压，最后利用LM1117-3.3得到3.3v稳定电压给各个传感器供电，保证稳定工作。 同时在为了节省飞行器空间，在电源电路板上实现PWM等转接输出实现DSP飞控控制和电池电压采集。 13 图2-4 电源电路 Figure 2-4 The power supply circuit 图2-5 电源电路PCB Figure 2-5 The power supply circuit PCB 14 第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计 3.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计 3.1.1四旋翼飞行器运动分析 (a)垂直运动(b)俯仰运动(c)滚转运动 (e)前后运动(f)侧向运动(d)偏航运动 图3-1四旋翼运动姿态控制图 Figure 3-1 Four rotor motion attitude control chart 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。 3.1.2四旋翼飞行器数学建模 ...,,,2234XkkXmsin/,,,，,，,，,,,,,，，,,f12341,,,,...,,,2222YkkYmsincos/,,,，,，,，,,,,,, (3-1) ，，,,,,,f12342,,,...,,,2222ZkkZmcoscos/,,，,，,，,,,,,,，，,,,f12343,,,,, 15 ...,,,22,,1/kkI,,,,,,，，,,fX424,,,,...,,,22 (3-2) 1/kkI,,,,,,，，,,,,,fY315,,,...,,,2222kkI/,,,,，,,,,,，，,,,mZ12346,,,,, 四旋翼飞行器仿真器具有极为复杂的动力学特性和特殊的飞行姿态，其动力学特性随着飞行姿态而发生相应的变化，具有非线性、多变量耦合的特点。本项目利用牛顿定律，刚体运动的欧拉公式和旋翼本身的空气动力学特性建立了飞行器的非线性数学模型。 3.1.3自主飞行控制算法的设计 四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行，但是，四旋翼飞行器只有4个输入量，同时却有6个输出量，所以它又是一种欠驱动系统。本项目对系统解耦合成俯仰，横滚和偏航三个轴的动作，分别对做了三个RBF神经网络整定的PID控制，达到了让飞行器稳定飞行的目的。 16 3.1.4程序流程图 开始 初始化DSP，配置 各个模块 打开定时器中断读 取九轴姿态数据， 进行数据融合，pid 数据处理运算 N等待上位机指令 Y 接收上位机命令进 行飞行 图3-2 程序流程图 Figure 3-2 The program flow chart 3.2基于Labview上位机软件设计 N电压低于10v， 降落3.2.1 Labview介绍 LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似Y 于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语结束 言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的 17 仪器。 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。 LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为 “G” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统(支持32位的嵌入式系统，并且可以扩展的)，不断完善中。 3.2.2基于Labview上位机结构介绍 利用Labview设计上位机软件，在有限的时间里可以快速完成软件设计，实现四旋翼无人飞行系统的上位机数据采集、远端控制、波形显示、重要数据显示和姿态3D显示等主要功能。 18 波形显示和重要数TCP/IP通信数据解码飞行器3D动态显示据显示 数据编码控制按键 图3-3 上位机结构框图 Figure 3-3 The PC structure diagram 1) 基于TCP/IP协议通信 Transmission Control Protocol/Internet Protocol的简写，中译名为传输控制协议/因特网互联协议，又名网络通讯协议，是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的协议来完成自己的需求。通俗而言:TCP负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台联网设备 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 一个地址。 TCP/IP通信程序框图: 图3-4 TCP/IP程序框图 Figure 3-4 TCP/IP Block diagram 2) 数据解码 通过之前所写的通信协议，按照此协议将通信数据中帧头和帧尾找到，再通过一定的组合和拆分把有效的数据提取出来。为了编程方便舍弃了G语言内部复杂连线，采用C语言简单的程序编程，即成为一个子VI方便调用。 数据解码程序: 19 图3-5 数据解码 Figure 3-5 The data decoding 3) 波形显示和重要数据显示 利用波形显示面板和VI将采集得到的数据进行解码组合后得到有效数据，并将有效数据放入波形显示控件和数据显示控件中，使得波形显示和重要数据显示操作实行。 波形显示和重要数据显示程序: 图3-6波形显示和重要数据显示 Figure 3-6 Waveform display and data display 4) 飞行器3D动态显示 利用Labview3D图形控件和采集得到的姿态数据，将飞行器姿态通过3D形式表现出来。 飞行器3D动态显示程序: 20 图3-7 3D姿态显示 Figure 3-7 3DAttitude display 5) 数据编码和控制按键 利用之前的发送接收协议，直接对上位机输出进行赋值发送，使得下位机接受上位机发送信号。 数据编码和按键控制程序: 图3-8 发送控制 Figure 3-8Transmission control 6) 上位机总界面 上位机总界面分为基本功能、高级收码、波形显示、传感器波形、飞控平台和飞控平台2。完成了上位机数据采集、远端控制、波形显示、重要数据显示和姿态3D显示等主要功能。 上位机总界面: 21 图3-9 总界面 Figure 3-9 Main interface 22 第四章 硬件电路制作和调试 完成了硬件的设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计正常运行，必须进行电路制作和软件调试。 4.1 硬件电路的制作 1)制作前准备 首先要熟悉所焊印制电路板的装配图，并按图纸配料，检查元器件型号、规格及数量是否符合设计要求，并做好装配前元器件引线成型等准备工作。 2)焊接顺序 元器件装焊顺序依次为:电阻器、电容器、二极管、三极管、集成电路、大功率管，其它元器件为先小后大。 3)对元器件焊接要求 : (1)电容器焊接 将电容器按图装人规定位置，并注意有极性电容器其 “ ， ” 与 “ , ” 极不能接错，电容器上的标记方向要易看可见。先装玻璃釉电容器、有机介质电容器、瓷介质电容器，最后装电解电容器。 (2)二极管的焊接 二极管焊接要注意以下几点:第一，注意阳极阴极的极性，不能装错;第二，型号标记要易看可见;第三，焊接立式二极管时，对最短引线焊接时间不能超过 2S 。 (3)三极管焊接 注意e、b、c三引线位置插接正确;焊接时间尽可能短，焊接时用镊子夹住引线脚，以利散热。焊接大功率三极管时，若需加装散热片，应将接触面平整、打磨光滑后再紧固，若要求加垫绝缘薄膜时，切勿忘记加薄膜。管脚与电路板上需连接时，要用塑料导线。 (4)集成电路 焊接首先按图纸要求，检查型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊边沿的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。对于电容器、二极管、三极管露在印制电路板面上多余引脚均需齐根剪去 23 4.2 硬件调试 硬件调试的主要任务是排除硬件故障，其中包括设计错误和工艺性故障。 1)在电路的电源焊接一个电源指示灯，判断电路中通电是否正常。 2)将电路中的电源线布置在通用板的四周，这样使用电源很方便，减少干扰，同时可以减少短路故障发生的可能。 3)元器件合理布局，且尽量减少占用板子的面积，力争做到节俭。特别是单片机的晶振尽量靠近单片机，减少干扰。 4.3 软件调试 4.3.1飞控软件调试 软件调试是利用开发工具进行在线仿真调试，主要目的是发现和改正错误并改善软件的性能，同时也能发现硬件故障。 程序的调试需要分模块进行，单独调试各功能子程序，检验程序是否能够实现预期的功能，接口电路的控制是否正常等;最后逐步将各子程序连接起来总调。联调需要注意的是，各程序模块间能否正确传递参数，特别要注意各子程序的现场保护与恢复。 本设计模块主要有: ) 传感器数据采集模块 1 2) DSP数据处理 3) 数据通信模块 不断地对DSP下程序，测试调试结果。 4.3.1上位机软件调试 利用下位机发送来的数据对数据进行处理，观察数据波形，记录采集数据进行分析对比。 同时上位机可以实时发送控制数据，控制飞行器飞行姿态。 通过不断调试，达到准确无误，快速发送，快速接收，实时显示要求。 24 图4-1 上位机接收PWM测试 Figure 4-1 The host computer receives the PWM test 图4-2 上位机数据接收和发送指令 Figure 4-2 The host computer to send and receive instructions 25 第5章 总结 四旋翼飞行器是一种市场前景广阔的无人机飞行技术，具有很高的研究和应用价值，在无人侦察等方面具有更好的实用性，更高的安全性。四旋翼系统的关键是在飞控算法的研究，但是目前的飞控算法在准确性和速度上还没不能满足一些实际的应用需求。 本文综合应用了硬件电路设计、软件编程等方面的知识技能，提出了以电视片和上位机建立全双工通信模式，来完成飞行器系统过程的设计思路。最后结果表明该设计思路可行。 完成毕业设计阶段的主要的工作具体包括: 1、掌握DSP和Labview功能特点，在这个基础之上，完成接口电路的连接 以及相应的DSP的C语言指令和Labview的G语言指令; 2、利用传感器采集数据，通过PID算法实现飞行器姿态稳定; 3、通过计算机调试得到实验结果，并且分析实验结果，总结设计。 4、将得到成功调试结果，烧进DSP中完成飞行器设计的全部操作。 26 参考文献: [1] 聂博文.四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制, 2007, 14(6): 113-117( [2] LEISHMAN J G((2000).Principles of Helicopter Aerodynamics.New York: Cambridge University Press( [3] MCKERROW P. (2004).Modelling the Draganflyer Four-Rotor Helicopter[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation(New Orleans(: 3596-3601( [4] 古月徐,杨忠,龚华军.基于DSP的飞行控制器的设计[J],兵工自动化,2005P3-4 [5] 刘丽丽.四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D],长沙:中南大学, 2009. [6] Hrechak A K, Mchugh J A.(1990).Automated Fingerprint Recognition Using Structural Matching. Pattern Recognition, 23(8):893-904 [7] Jain A, Hong L, Bolle R.(1997) .On-line Fingerprint Verification. IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence,19(4):302-313 [8] Luo Xiping, Tian Jie, Wu Yan. (2000). A Minutia Matching Algorithm in Fingerprint Verification. 15th ICPR, Barcelona, 4:833-836 [9] 张毅刚.单片机原理与应用[M],北京:高等教育出版社,2006. [10] FM-70 Datasheet. veridicom公司,2002. [11] QC12864B Datasheet. orient display公司，1999. [12] 张锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社，2004. 27 致谢 本课题的研究和本文的写作是在XX老师和的悉心指导和帮助下完成的，他倾入了大量的心血和精力。在论文的研究写作中，老师无论在学习还是在生活上都给予了我莫大的帮助和热情关怀，老师学时渊博，治学态度严谨，学术思想活跃，勤恳敬业，也深深的感染了我。在此，我特向他表示深切的谢意和崇高的敬意，他永远是我学习和工作中的榜样。 同时要感谢与我一起学习的同学们，任务的最终完成与他们的帮助是分不开的。我要特别感谢广大网友和硬件开发爱好者，利用网络和他们交流给了我很大的帮助，他们无私的将自己的成果发布在网络上，给了我很大的启发。 28