1、毕业设计开题报告电气工程与自动化多旋翼飞行器控制系统设计一、选题的背景与意义多旋翼飞行器中最具代表性的就是四旋翼飞行器，对四旋翼的研究意义任重而道远。四旋翼飞行器实际上是一类安装有四个螺旋桨的直升机，而且四个螺旋桨在平面上呈现十字交叉的结构。四旋翼飞行器飞行的动作是通过控制和调节周边四个螺旋桨产生的升力大小来实现的。目前传统的旋翼式直升机一般通过改变它的螺旋桨的旋转速度、叶片的倾斜角和叶片的轮列角，从而既能够调整升力的大小，还可以调整升力的方向。但是与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼飞行器只可以通过改变四个螺旋桨的速度来实现各种飞行动作。虽然四旋翼飞行器的四个螺旋桨的倾斜角都是固定不变的，但是由
2、于每个螺旋桨都是用弹性材料制做而成的，因而可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾斜角。总之，四旋翼飞行器的升力是四个螺旋桨速度的合成效果，而四旋翼飞行器的旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异引起的。直升机在他的发展历程中巧妙使用总距控制和周期变矩控制之前，经典的四旋翼的结构被公认为是一种最简单和直观的稳定控制方式。然而由于这种结构形式必须同时协调地控制四个旋翼的运行状态参数，对驾驶员的人为操纵来说是一件非常复杂的事，所以这种方案始终没有能够真正在大型直升机设计中被公众采用。这里，四旋翼飞行器考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变矩控制虽然精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法轻易在小
3、型四旋翼飞行器设计中应用，所以很有研究开发的必要。另外，四旋翼飞行器的旋翼工作效率相对较低，要想从单个旋翼上增加拉力是很有限的，所以采用多旋翼结构形式毋庸置疑是一种提高四旋翼飞行器飞行时的负载能力的最有效的措施之一。针对四旋翼结构存在的控制量较多的问题，可以通过设计合适的自动飞行控制系统去解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼的直接动力源，旋翼对称分布在飞行器的前、后、左、右的四个方向，并且四个旋翼处于空间的同一高度的水平面上，而且四个旋翼的结构都相同，四个电机以对称的形式安装在飞行器的支架端，支架中间的空间用于安放飞行控制系统的电路板和电源。典型的直升机一般配备有一个主转子和一个尾桨，他们通过控制舵
4、机来精确改变螺旋桨的桨距角，从而起到控制直升机的姿态和位置的作用，然而四旋翼飞行器与此不同，它是通过调节四个电机转速来改变对应的旋翼转速，实现调整升力的变化，从而起到控制飞行器的姿态和位置的作用。由于四旋翼飞行器是通过改变旋翼转速来实现升力变化，这样会导致其动力相对不稳定，所以在控制方面需要一种能够用于长期保持稳定的控制算法。从结构上说，四旋翼飞行器就是一种六自由度的垂直升降机，因而非常适合在静态和准静态条件下平稳飞行。台湾泰世科技GAUI330X的主要特点1兼容35/40/72MHZ或24GHZ遥控器；2至少需要4通道遥控器；3使用标准PWM电调和无刷马达，具有无限的动力升级能力；目前航模方
5、面使用的传感器、电机、电子调速器都可以方便购买，而控制核心可以用单片机等具有编程能力的芯片，在一定程度上支持了飞行器的开发。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容通过多旋翼飞行器原理的学习，设计多旋翼飞行器的控制器，实现多旋翼飞行器的平稳飞行。具体如下1学习多旋翼飞行器的飞行、控制原理；2合理选择控制器，设计控制方案。拟解决的主要问题1设计多旋翼飞行器的硬件控制电路；2设计多旋翼飞行器的平衡控制算法；3设计飞行控制软件，实现飞行器的平稳飞行。三、研究的方法与技术路线完整的多旋翼飞行器控制系统包括控制核心、电子调速器、传感模块、无线模块，系统结构图如图1。图1系统结构图串口通信无线通
6、信PC机单片机单片机传感器电子调速器电机1控制核心选择了C8051F330，它有768字节内部数据RAM，有8KBFLASH，可在系统编程，扇区大小为512字节，作为高速8051微控制器内核，使用流水线指令结构，70的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25MIPS（时钟频率为25MHZ时），具有可扩展的中断系统，有17个端口I/O，均耐压5V和大灌电流，硬件增强型UART、SMBUS和增强型SPI串口，有4个通用16位计数器/定时器，有16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有3个捕捉/比较模块，使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式，具有两个内部振荡器245MHZ，可支
7、持晶体UART操作；80/40/20/10KHZ低频率、低功耗振荡器。支持在片调试片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）；支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能；廉价而完整的开发套件。在设计中，可以方便利用其内部的定时器功能产生电子调速器所需的PWM控制信号。2无线模块选择NRF24L01。此种无线通讯模块工作在24GHZ全球开放频段，可以在1936V低电压情况下工作，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，有126频道，满足多点通信和跳频通信需要，最高工作速率2MBPS，高效GFSK调制，抗干扰能力强，内置2
8、4GHZ天线，体积小巧。模块可软件设地址，只有收到本机地址时菜会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果，标准的DIP间距接口，便于嵌入式应用，工作于ENHANCEDSHOCKBURST具有AUTOMATICPACKETHANDLING，AUTOPACKETTRANSACTIONHANDLING，具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。3电机和电子调速器选择新西达2212电机和其专用的30A级电调。新西达2212电机为外转子无刷电机。其电机有两而重要性能常数电压常数与电流常数，电压常数就是通常
9、讲的KV值，即电机空载时，电压与转速的关系，而电流常数标定的是电机恒速时，电流与扭矩的关系。新西达2212配1060的桨可以提供较大的升力，总体性价比较高。在电子调速器的控制信号方面需要提供的是周期为20MS的PWM波，高电平可以从1MS到2MS，输出会相应的从小到大变化。4倾角传感器选择倾角传感器用于对飞行器飞行状态进行检测。在航模方面可以参考陀螺仪的作用，通过倾角传感器来检测飞行器的三轴位置，并将测量的三个位置信号提供给控制核心进行运算处理，飞思卡尔在这方面有了MMA7260和MMA7455，前者输出模拟量，后者输出数字量，再有，L3G4200D常用于制作三轴陀螺仪，实时性做的很好，但是价
10、格方面偏高，所以，选择合适的角度传感器就能更好的保证控制信号的实时性和准确性。5平衡控制算法参考在自动控制方面较常用PID控制算法。其中，P为比例控制环节，是一种非常简单的控制方法，它的控制器的输出与它的输入误差信号形成了一定的比例关系，但是当仅有此种控制方式时，系统输出会存在一定的稳态误差；I为积分控制环节，在积分控制环节中，控制器的输出与输入误差信号的积分结果成正比关系，此控制主要用于消除系统的静差；D为微分控制环节，主要反映了偏差信号的变化速率，并能够赶在偏差信号变得过大之前，向系统中引入一个合适的修正信号，从而加快系统的动作反应的速度，缩短调节时间。对一个传统的自动控制系统，如果系统在
11、进入稳态后存在稳态误差，则称这个系统是有差系统（SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR），为了有效消除稳态误差，在控制器就中必须引入“积分环节”，积分环节取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会相应增大，这样，即便误差很小，积分项也会相应随着时间的增加而增大，它使控制器的输出增大，从而使稳态误差进一步减小，直到达到零。因而，比例积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后达到无稳态误差。按偏差的比例环节（P）、积分环节（I）和微分环节（D）进行控制的PID调节器是目前应用较为广泛的一种自动控制器。它的原理简单，易于实现，控制参数相互独立和参数的选定比较简单等优点；PID调节规律是连续
12、系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式比较简便，结构可以灵活改变。参考公式如下UKUK1KPEKEK1KIEKKDEK2EK1EK2；UK1UK；EK2EK1；EK1EK；其中，UKUK1，余下同前。在四旋翼飞行器的运动控制中要通过实际测试和校正，参考PID控制的思想，合理协调控制四个旋翼的工作，通过运行调试完善飞行器的姿态控制算法。四、研究的总体安排与进度开始时间2010年12月21日阶段一（101101101130）课题设计的相关资料的搜集。阶段二（101201101226）完成开题报告。阶段三（110101110310）设计并调试多旋翼飞行器的硬件控制电路。阶段四（110310
13、110405）设计多旋翼飞行器的平衡控制算法。阶段五（110406110520）毕业论文的撰写。五、主要参考文献1胡寿松自动控制原理M北京科学出版社,2007,062433042郑祥明,昂海松基于多传感器技术的微型飞行器智能组合导航技术研究J宇航学报,2007,05118511893陈国栋,贾培发,刘艳微型飞行器十年J国外科技动态,2005,0229334韩京清自抗扰控制器及其应用J控制与决策,1998,0119235韩京清从PID技术到“自抗扰控制”技术J控制工程,2002,0313186石文蕊,李彦华微型飞行器对传统思维的挑战J航空兵器,2000,0532377翁梓华,黄太平,吴金明,林淑
14、芬,莫位平微型飞行器的研究进展和主要技术J航空制造技术,2005,02981028宋征宇飞行控制软件可靠性设计J导弹与航天运载技术,1997,017119邓以高,田军挺,王亚锋,雷军委飞行器姿态控制方法综述J战术导弹控制技术,2006,0271310王美仙,李明,张子军飞行器控制律设计方法发展综述J飞行力学,2007,021411METTLERBMODELINGSMALLSCALEUNMANNEDROTORACRAFTFORADVANCEDFLIGHTCONTROLDESIGNDPITTSBURGHDEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING,CAMEGIEMELLONUNIVERSITY,200118718812EDGARNSANCHEZ,HECTORMBECERRA,CARLOSMVELEZCOMBININGFUZZY,PIDANDREGULATIONCONTROLFORANAUTONOMOUSMINIHELICOPTERJINFORMATIONSCIENCES,2007,1771019992022
