1、學校統一編號 JMSU-B-001學校名稱佳木斯大學隊長姓名夏玉峰隊員姓名張振林武寧波指導教師姓名蔣野2018年9月7日四旋翼自主飛行器目錄摘要：3一、系統方案論證 41.1姿態模塊地論證與選擇 1.2電源模塊地論證與選擇41.3飛行方式地論證與選擇51.4電機驅動模塊地論證與選擇54二、系統理論分析與計算62.1模糊控制算法地分析62.2系統電流估算8三、電路與程序設計 83.1電路地設計8系統總體框圖8電機驅動子系統框圖與電路原理圖9電源93.2程序地設計10程序功能描述與設計思路10程序流程圖11四、測試方案與測試結果 124.1測試方案124.2測試條件與儀器124.3測試結果及分析

2、12測試結果（數據124.3.2 測試分析與結論 13摘要:四旋翼飛行器由主控制器、姿態采集器、電機驅動、執行機構、電源、防撞圈等六部分組成.其中,控制核心采用瑞薩單片機VR5F100LEA ）負責飛行器姿態數據接收和飛行姿態控 制；采用AHRS模塊<9軸姿態儀）地姿態采集器做飛行姿態反饋機構；用四塊 MOS管搭 建大功率驅動器來驅動電機；執行機構采用四路空心杯電機實現.該飛行器還采用了模糊控制算法對當前姿態數據進行處理，同時，解算出相應電機地PWM增減量，及時調整飛行姿態，使 飛行器地飛行地更加穩定電源采用集成開關穩壓塊給單片機供電，使得單片機電源穩定高效 關鍵詞：四旋翼飛行器；模糊控

3、制算法；陀螺儀Abstract :The four rotor aircraft by the power supply, main controller, attitude collector , motordriver, actuators, anticollision ring and so on six parts. Integrated a switching power supply adopts LM2596S on to the system power supply 。Main controller for renesas MCU （R5F100LEA>, is mai

4、nly responsible for to calculating the spacecraft attitude and offer four road PWM motor respectively。Gestures collector the AHRS - DEMO six axisgyroscope as the spacecraft attitude feedback mechanism。 With four pieces of MOS tubestructures, high-power power drive to drive motor 。 The hollow cup mot

5、or actuators for four road. This aircraft USES the fuzzy control algorithm to deal with the attitude data tran sformatio n, makes the aircraft flight attitude more stable. The aircraft has completed the basic requirement of the topic.Keywords: four rotor aircraft ； gyroscope fuzzy control ； algorith

6、m亠、系統方案論證系統主要由單片機控制模塊、姿態采集模塊、電源模塊、電機驅動模塊、空心杯電機 和防撞圈等六部分組成，采用X型飛行模式，下面分別論證這幾個模塊地選擇.1.1姿態模塊地論證與選擇方案一:MPU6050三軸陀螺儀.MPU6050三軸陀螺儀就是可以在同一時間內測量六個不同方向地 加速、移動軌跡以及位置地測量裝置.單軸地話，就只可以測定一個方向地量，那么一個三軸陀 螺就可以代替三個單軸陀螺它現在已經成為激光陀螺地發展趨向，具有可靠性很好、結構簡 單不復雜、重量很輕和體積很小等等特點，但是其輸出數據需要大量地浮點預算才能保證較 高地精度,這樣會影響單片機對最終地姿態控制地響應速率光纖陀螺儀

7、.光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎地敏感元件，由激光二極管發射出地光 線朝兩個方向沿光導纖維傳播光傳播路徑地變化，決定了敏感元件地角位移光纖陀螺儀壽命 長，動態范圍大，瞬時啟動,結構簡單，尺寸小,重量輕,但是成本較高AHRS模塊.AHRS模塊包含了 MPU6050（集成3軸陀螺儀和3軸加速度計、 HMC5883LV3軸地磁傳感器），BPM180氣壓高度計等模塊.且AHRS模塊內部已經進行一些 數據處理，通過串口直接輸出飛行器地當前姿態狀態 ，減少了單片機進行姿態解算地運行時間 消耗,進一步提高了單片機對飛行器地姿態控制.綜合以上三種方案，我們選擇了方案三1.2電源模塊地論證與選擇飛行器地電機電

8、源由 7.4伏地航模專用鋰電池直接提供，而瑞薩單片機地工作電壓在3.35.5伏之間，所以系統需要進行一次電壓轉換，為控制核心供電，其質量直接決定了系統地穩定性.LM7805模擬電源模塊.用LM78/LM79系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需地外圍元件 極少，電路內部還有過流、過熱及調整管地保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜.然 而在實際應用中，應在三端集成穩壓電路上安裝足夠大地散熱器當然小功率地條件下不用）當穩壓管溫度過高時，穩壓性能將變差，甚至損壞.LM2596開關電源模塊丄M2596系列是美國國家半導體公司生產地 3A電流輸出降壓開 關型集成穩壓芯片,它內含固定頻率振蕩器V150K

9、HZ ）和基準穩壓器1.23v ），并具有完善地 保護電路、電流限制、熱關斷電路等.利用該器件只需極少地外圍器件便可構成高效穩壓電 路.提供有：3.3V、5V、12V及可調v-ADJ ）等多個電壓檔次產品.而且2596地功耗較小，效 率較高,適合在航模中使用以提高續航時間，能滿足該系統中電路要求.方案三:AMS1117.AMS1117系列穩壓器有可調版與多種固定電壓版,設計用于提供1A輸出電流 且工作壓差可低至1V.在最大輸出電流時,AMS1117器件地壓差保證最大不超過 1.3V,并隨 負載電流地減小而逐漸降低.AMS1117地片上微調把基準電壓調整到 1.5%地誤差以內，而且 電流限制也得

10、到了調整，以盡量減少因穩壓器和電源電路超載而造成地壓力 .但是能提供地電 流較小,且在大電流工作狀態下易發熱.而綜合以上三種方案，選擇方案二.1.3飛行方式地論證與選擇方案一:十字飛行方式.四軸地四個電機以十字地方式排列，調整地時候應該對角調整，但是它靈活 性和可調性有限.X行飛行方式.四軸地四個電機以X字地方式排列，調整地時候應該相鄰兩個調節，靈活性 和可調性較高.X型飛行方式非常自由靈活，旋轉方式多樣，可以花樣飛行，也可以做出很多 高難度動作.綜合以上兩種方案，選擇了方案二.1.4電機驅動模塊地論證與選擇方案一:L298N驅動模塊.采用L298N控制芯片，通過單片機I/O 口輸入改變控制端

11、地電平, 即可實現5V直流電機正反轉、停止地操作.運用此方案可以很好地利用單片機程序控制達到控制電機地目地.但是經過測試發現飛行器地四路空心杯電機同時運作時電流達到56安培,然而L298N承受不了如此大地電流.4路MOS電流放大電路.通過MCU輸出地信號控制MOS管地通斷,達到放大驅動電流控 制電機正轉和反轉.該電路簡單,驅動能力強,體積小，非常適合作為小型空心杯電機地驅動 .與 L298N驅動相比較,具有驅動簡單，控制方便，而且面積小，質量輕等優點綜合以上兩種方案，選擇了方案二二、系統理論分析與計算2.1模糊控制算法地分析因為四旋翼飛行器由四路電機帶動兩對反向螺旋槳來產生推理，所以如何保證電

12、機在平穩懸浮或上升狀態時轉速地一致性及不同動作時各個電機轉速地比例關系是飛行器按照期望姿 態飛行地關鍵經過反復測試發現用模糊控制算法處理姿態數據地效果比采用單純地PID算法實現更加穩定可靠，但是需要處理地運算增多，使得單片機單位時間內進行姿態矯正地次數 減少,從而一定程度上影響了系統地響應速度模糊控制算法是對手動操作者地手動控制策略、經驗地總結模糊控制算法有多種實現形式.采用應用最早、最廣泛地查表法可大大提高模糊控制地時效性，節省內存空間，本自主飛行器地設計就采用了查表法.控制時針對于不同地飛行姿態將每個電機對應地運行狀態分別存 放在四個五行五列地數組中，系統運行時將從陀螺儀處解算出地姿態數據

13、與數組中地數據對 比，查找并映射到相應地隸屬區間，然后在隸屬地區間處取得最優解進行姿態矯正.算法分析如下：如圖1為算法轉化分析圖.90度0度如圖2為為隸屬區間劃分圖.Fuzzy處理圖1算法轉化過程0-3NB NS Z圖p|隸屬針對不同狀態設置地控制規則表格如下：|1）、-90度飛行 /器油門卄氾80圍也.即XxJ占T空03-3Roll 軸丄nb4NS / /Z ps；PBPitch 軸-3-2-i 0 i23NBPwmPSPwmPSPwmPBPwmPBPwmPBNSPwmZPwmZPwmPSPwmPSPwmPBZPwmNSPwmZPwmZPwmPSPwmPBIPSPwmNSPwmZPwmZPw

14、mZPwmPSPBPwmNSPwmNSPwmNSPwmZPwmPS、第二路電機地控制規則如下）2Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmPBPwmPBPwmPBPwmPSPwmZNSPwmPBPwmPSPwmZPwmZPwmNSZPwmPBPwmPSPwmZPwmZPwmNSPSPwmZPwmZPwmZPwmZPwmNSPBPwmNSPwmZPwmNSPwmNSPwmNS、第三路電機地控制規則如下）3Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmPBPwm ZPwm NSPwmNSPwmNSNSPwm PSPwmZPwmZPwmZPwmNSZPwmPBPwmPSPwmZP

15、wmZPwmNSPSPwmPBPwmPSPwmPSPwmZPwmZPBPwmPBPwmPBPwmPBPwmPSPwmPS4、第四路電機地控制規則如下Roll 軸Pitch 軸NBNSZPSPBNBPwmNSPwmNSPwmNSPwmZPwmZNSPwmNSPwmZPwmZPwmZPwmPSZPwmNSPwmZPwmZPwmPSPwmPBPSPwmPSPwmZPwmPSPwmPSPwmPBPBPwmPSPwmPSPwmPBPwmPBPwmPB2.2系統電流估算經測得每個電機內阻約為6Q左右，電機兩端電壓為 7.4伏，則可得系統總電流約為：安培.普通地電機驅動在此情況下發熱快很容易燒壞，所以選用額

16、定電流大地MOS管驅動電機.電源MCinI電源電機R12R1N822RIN12-nr 圭三、電路與程序設計3.1電路地設計系統總體框圖系統總體框圖如圖3所示.電機驅動子系統框圖與電路原理圖圖4MPU6050子系統電路GNDMotor2、電機驅動子系統電路-jiOnPWM10K電機2也訂紳I"r . cmi fejr feE -Ll.LI電機驅動MOS管AHRS模塊電機3PWM圖5電電機1電機41、電機驅動子系統框圖丹4M.UWWiKOk"!«.HJiS*HIT； dlAdFn'EXICItVtU-JF >4-Uj.7ravKkttvnn*4圖6電機驅

17、動子系統電路電源電源由濾波部分、穩壓部分組成為整個系統提供5V或者7.5V電壓，確保電路地正常穩 定工作這部分電路比較簡單，都采用三端穩壓管實現，故不作詳述圖7電源子系統電路3.2程序地設計程序功能描述與設計思路1程序功能描述根據題目要求軟件部分主要分為三部分，第一部分為無刷電機驅動部分，利用瑞薩單片機 內部定時器地多路 PWM輸出功能，實現無刷電機驅動；第二部分為 AHRS模塊數據接收部 分，利用瑞薩單片機內部串口 USART0地接收中斷，接收當前歐拉角輸出；第三部分是姿態控 制部分，根據接收到地歐拉角與目標歐拉角之間地差值，運用模糊控制算法，解算出相應電機地 PWM調整量，設定定時地PWM

18、輸出，使飛行器姿態平衡.2、程序設計思路本設計地程序結合瑞薩單片機地特點，主要實現思路為：單片機上電、延時等待電源穩 定、減少電源波動對系統地干擾，之后利用定時器設定電機 PWM周期、串口初始化，在串口 中斷服務函數中不斷接收 AHRS模塊發送地數據，且為了數據地有效性設定特定幀頭、狀態 位、結束位和校驗位.在初始化結束后，設定目標姿態、進入循環函數，不斷檢測AHRS數據是 否接受完成，一旦接收到有效地姿態數據，就進入姿態控制函數.在姿態控制函數內部，利用當前 四軸飛行器地Rollv翻滾）和pitch 俯仰）數據，結合模糊控制算法，解算出不同姿態時，每個 空心杯電機需要地調整量控制電機，這樣不斷地接受姿態數據，解算數據，調整量輸出，使四軸飛 行器穩定地飛行.322程序流程圖圖8程序流程圖四、測試方案與測試結果4.1測試方案1硬件測試首先，先把四軸飛行器分塊拆解，用最小地最輕地元件和電路板按照配重地需要安裝在四 軸飛行器上,并安裝上保護圈.再用物理方法測量重心，使其重心維持在四軸飛行器地中心.通過電源對做好地電壓轉換器進行測試，使其穩定在單片機地工作范圍，盡量使其保持穩疋.,2、軟件