基于DSP的四旋翼无人飞行器设计-本科设计.doc

1、 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

2、.4.4 飞行控制 . 4 1.5 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

3、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

4、 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 P

5、ID 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 usi

6、ng 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 tu

7、ning 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 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

8、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 1。 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 Brguet。 1906 年下半年， Louis 和 Jacques Brguet 在 Richet 教授的指导下做他们自行设计的直升机试验。 1907 年， Brguet兄弟制

9、作了他们第一个载人四旋翼飞行器 -Brguet-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 Brguet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，

10、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

11、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。

12、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去控制信号时自主降落 2。 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

13、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行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果 3。

14、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

15、型直流电机 、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，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机工作点配置在推荐运行区域内 4。 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

16、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

17、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 ) ，如果能精确控制飞行器姿态，则采用 P I D 控制律就足以实现其位置与速度控制。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

18、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全双工通信功能 5。 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

19、。 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。 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

20、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，

21、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倍

22、之多 6。 图 2-1： TMS320F28335 Figure 2-1： TMS320F28335 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

23、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

24、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 (D

25、MP: 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%； VDD

26、IO 为 1.8V 5% 陀螺仪运作电流： 5mA，陀螺仪待命电流： 5A；加速器运作电流：350A，加速器省电模式电流： 20A10Hz 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 (4x4x0.9mm QFN)符合 RoHS 及环境标准 7。 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