基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计.doc
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1、 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计(论文) 学院(系): 电子与电气工程学院 专 业: 电子信息工程 学 生: 指导教师: 完成日期 2013 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计(论文)基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous control system for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors总计: 毕业设计(论文)25 页表 格: 0 个插 图 : 20 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计(论文)基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous c
2、ontrolsystem for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors学 院(系): 电子与电气工程学院 专 业: 电子信息工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计摘要:针对改变传统以单片机为处理器的四旋翼自主控制飞行器控制方式的问题,设计了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。这是一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无
3、人机飞行控制系统的整体方案。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬,软件设计方案,包括传感器模块、视屏采集模块、系统核心控制功能模块、无线通信模块、地面控制和数据处理模块。实验结果表明,该设计结合嵌入式实时操作系统,保证了系统的高可靠性和高实时性,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。关键词:ARM;四旋翼自主飞行器;控制系统。Autonomous control system for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors Abstract:In order to change the convent
4、ional control of fourrotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor,a solution of flight control system based on embedded ARM was presentedwhich is low-cost, small volume, low power consumption and high performance. The purpose of the work is for attending the National Aerial
5、Robotics Competition. The main function of the system,the hardware structure and the software design were discussed in detail,including the sensor module,the motor module,the wireless communication moduleWith embedded real time operating system to ensure the systems high reliability and real-time pe
6、rformancethe experiments results show that the requirements of flight mode are satisfied,including taking of,hovering,and landing and so on Key words:ARM;four-rotor unmanned aerial vehicles;control system of the control signals1 四旋翼飞行器的简介1.1题目综述微型飞行器(MicroAir Vehicle/MAV)的概念最早是在上世纪九十年代由美国国防部远景研究局(DA
7、RPA)提出的。一般来讲,MAV 的特征是:最大尺寸为 35 厘米以下,最大质量在 300 克以内,飞行半径大于 10 千米,最高时速达80 千米/小时,最高飞行高度可达 300 米。MAV 是充分利用微机电、微电子、智能控制和通讯等高科技的微型智能系统。微型飞行器目标小、灵活性好、成本低,能够在现代化战争如空中电子战、生化战、侦察与反侦察、干扰与反干扰、隐身与反隐身、特种单兵作战中扮演特殊角色,以满足国防现代化的需求。微型飞行器中包含很多新概念飞行原理与仿生研究思想,因此具有广泛的科学研究价值及民用价值。微型飞行器有一段漫长而又断断续续的历史。最早的四旋翼飞机可以追溯到1907年,由Loui
8、s和Jacques Breguet等人研制出的“Gyroplane”便已经成功携带飞行员飞了1.5m的高度。1922年美国军方资助George de Bothezat研制了一个大型的四旋翼机,但是飞行表现不能令人满意,另外费用高昂和当时固定翼飞机的流行使得该项目最终搁浅。最成功的四旋翼飞机是1956年由covertawing公司资助D.H.kaplar研制出的H型的四旋翼机,但是由于工程人员缺乏足够的兴趣,该项目也最终停止。20世纪80年代随着微型飞机新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)的产生和飞行控制理论的发展,微型飞机得到迅速发展。由于其广泛的应用前景和使用价值,四旋翼自主控制
9、飞机吸引了大批研究人员和学者的关注。目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态控制,存在硬件资源有限,运算和处理速度慢等问题。本研究硬件开发平台使用 32位的ARM 芯片作为核心处理器,大量使用 MEMS 传感器,整个系统要求体积小、重量轻。同时对各个传感器输出的信号进行采集和处理,并采用了硬件抗干扰措施,提高飞行控制硬件系统的稳定性和抗干扰性。本文以实现基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统为目标,对 ARM的MAV自主控制系统和硬件实现进行了深入的学习和研究。1.2国内外研究状况 随着新型材料以及飞行控制技术的进步,四旋翼自主控制飞行器得到了迅速的发展,在军事和民用领域具有广阔的应用前景。基于
10、ARM的四旋翼自主飞行器也得到了迅速发展。和传统的直升机相比,它有着自身的优势:当前后两个旋翼逆时针旋转,而左右两侧的旋翼顺时针旋转时,则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略。 目前国外四旋翼无人直升机的研究工作主要集中在以下三个方面:基于惯导的自主飞行、基于视觉系统的自主飞行和自主飞行器系统。典型代表有瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X4、宾夕法尼亚大学的HMX4、佐治亚理工大学的GTMARS、斯坦福的Mesicopter 等等。其中,法国将对微型无人机领域进行开发,他们对翼展 20cm 的微型无人机概念进行研究。从 2000 年底开始,法国武器装备部将可放在步兵背包中的无人侦察
11、机进行招标。其战术指标为:固定翼飞行器,机长为 3040 cm,安装简便快捷,装备光学传感器。从 2005 年开始,它将在狭窄空间内进行巡逻,即可在城市街道上空机动飞行,但不会进入房间。室内观测任务将留给直接采取昆虫飞行方式的微型扑翼无人机,这种无尾翼构型独特的无人机能平稳寂静地在室内进行机动飞行,并能悬停。总之,这种微型无人机的研制要求在设备的小型化、推进技术和包括昆虫飞行方面的技术做出巨大努力。如果研制进展顺利,预计到 2013年底该机可投入使用。 我国目前也在开展对扑翼微型无人机的研究,主要研究其流动机理与空气动力学特性、扑翼传动机构的设计以及微动力与能源系统的实现。在当前,微型飞行器的
12、发展趋势是:微型化、创新化、智能化、自动化、仿生化及多用途等。国内对于四旋翼机的研究主要集中在几所高校之中。例如国防科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、北京科技大学和哈尔滨工业大学等等。大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真,提出了很多控制算法。例如,针对自主飞行机模型的不确定性和非线性设计的DI/QFT(动态逆/定量反馈理论)控制器,国防科技大学提出的自抗扰控制器(ADRC)可以对小型四旋翼飞机实现姿态增稳控制,还有一些经典的方法比如PID控制、控制等。1.3本文研究的主要内容从低价位、低功耗、高性能等方面考虑,本文设计了四旋翼飞行器的自主飞控制系统整体方案、并完成了飞控系统硬件部分的
13、设计。本文针对某型固定翼微型飞行器,设计了全新的自主飞行控制系统。硬件开发平台使用ARM芯片作为核心处理器,大量使用MEMS传感器,整个系统体积小、重量轻,完全符合项目要求。总体设计,首先将软硬件系统分解成基本功能模块,分别介绍了分各模块的功能和作用;接下来给出了了各功能模块的设计思路,为以下各章内容做准备。硬件子系统设计,介绍了元器件的选型原则和选型结果;并且给出了DSP最小系统的设计步骤和电路抗干扰的措施。软件设计,首先给出控制系统的软件总流程,然后分别对每个模块的算法流程和软件实现进行介绍。本文对各个传感器输出的信号进行采集和处理,并采用了硬件抗干扰措施,提高飞行控制硬件系统的稳定性和抗
14、干扰性。在ARM环境下,本文采用了嵌入式Linux操作系统技术。对硬件方面的研究:对微型飞行器自主飞行控制硬件系统设计关键是针对MAV 姿态稳定和导航控制的功能的实现,对于选用的各个功能部件的要求,它主要包括机载计算机和 MEMS 传感器等。基于 ARM 的飞控系统硬件电路原理图设计,包括ARM 资源的介绍和应用、电源和复位电路设计;UART、SPI、JTAG等接口电路的设计;定时器的使用和PWM信号发生电路的设计;加速度计、陀螺、磁力计等传感器的使用、A/D采样电路的设计。最后,通过平时所掌握硬件设计能力和实际的专业,近几年的大学学习使得我掌握ARM单片机的基本知识和编写 ARM Linux
15、 环境下的设备驱动流程图的相关知识,培养扎实了软硬件设计能力,运用所学相关专业知识解决相关问题,如降低硬件资源利用率和解决飞行速度等问题。2控制系统工作原理和结构框图2.1四旋翼自主飞行器的工作原理四旋翼直升机有4个控制输入量,分别为四个旋翼的转速;6个输出量,分别为飞机位置量(x、y、z)和姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)。四旋翼直升机通过调节对角线上旋翼的转速来改变姿态。四旋翼飞行器上下的垂直运动是通过4个旋翼同时增速(减速)得到的,当4个旋翼的升力之和等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停。水平面内的前后运动是在旋翼1、2分别增速(减速)的同时,旋翼3、4减速(增速),这样机身就会发生向后
16、或者向前的倾斜,得到水平面内的前后运动;俯仰运动是通过旋翼1、3速度不变,旋翼2增速(减速)的同时,旋翼4减速(增速)来实现的。相似的可以得到滚转运动;即旋翼1增速(减速),同时旋翼3减速(增速)。通过组合以上的基本运动,可以实现四旋翼自主控制飞行器的各种复杂运动。四旋翼飞行器飞行原理如图1所示图1 四旋翼飞行器飞行原理示意图四旋翼直升机独特的机械结构决定了它可以通过只改变旋翼转速的方法来实现俯仰、滚转和偏航运动。当需要作俯仰的动作时,只要控制前后两个旋翼使其在转速上有一个差值即可。同样的原理,当要作滚转运动时只要控制左右两个旋翼即可。在保持对角线上的两个旋翼的转速相等的情况下,使相邻的两个旋
17、翼的转速有差值就可以实现偏航运动。但必须明确一点,以上三种运动过程中总的旋转力矩必须保持恒定。 (l)垂直升降与悬停: 同时改变四个电机的输出功率,使得旋翼转速改变,从而总的拉力改变,且大于或小于飞机重力时,四旋翼无人机垂直升降飞行;而拉力等于飞机重力时,四旋翼直升机实现悬停。垂直升降与悬停的控制方式如图2所示: 图2垂直升降与悬停原理图(2)横向飞行与俯仰运动:增加左旋翼电机的输出功率,使得左旋翼转速变大,小右旋翼电机的输出功率,可以使机体左侧俯仰倾斜。使右侧拉力小于左侧总拉力,从而左侧拉力改变,相应的减机身会向右侧俯仰倾斜。同理,横向飞行与俯仰运动的控制方式如图3所示: 图3横向飞行与俯仰
18、运动原理图 (3)水平旋转:保持左右旋翼电机的输出功率相同,前后旋翼的输出功率相同,改变其中一组的输出功率,使得两组的旋翼的转速不同,产生不能抵消的反扭矩,从而使得机体产生顺时针或逆时针的水平旋转。水平旋转的控制方式如图4所示 图4水平旋转的原理图(4)控制系统当四旋翼飞行器处于悬停和准稳态飞行时,可以把四旋翼飞行器这一非线性系统近似为线性系统,这样,在控制飞行器稳定飞行时就可以将四旋翼飞行器的姿态稳定分为三个独立的通道(偏航、俯仰、横滚) 分别控制。在实际系统中,控制对象是无刷电机和螺旋桨。螺旋桨(包括无刷电机)的转动产生力、力矩和扭矩,作用于四旋翼飞行器,就得到陀螺仪输出的各姿态角角速率,
19、对角速率积分就得到各姿态角;在PID控制器中,微分参数的作用也很重要,既可以使整个系统的相位提前,又可以消除飞行器抖动,从而保证整个系统的稳定.姿态控制系统原理图如图5所示图5 姿态控制系统原理图2.2四旋翼飞行器本体 四旋翼飞行器的框架和布局较为简单,呈“十字形”,所以机械加工出符合要求的机架和平台是可行的。而且可以根据自身的条件和四旋翼飞行器功能的要求来选择合适的四旋翼飞行器的配件,如机架材料的选择等。机身采用铝管和玻璃纤维,成对称布局。如图所示。从外形看其是由四个同样的直升机组装而来的。当然与直升机的差别很大,最明显的是它没有四个尾桨。四旋翼飞行器具有两对正反桨,相邻的螺旋桨的转向相反,
20、以抵消因为螺旋桨旋转而产生的自旋力,而不需要专门的尾桨来抵消反桨矩。飞行器的所有动作均依靠改变四个螺旋桨的转速完成,而不需要调节桨叶的桨距角,这样就可以省略桨矩控制部件,便于制作和维护,通过调整四个旋翼的转速即可实现升力的变化,从而调整飞行器的姿态和位置。与固定翼飞行器相比,可垂直起降的旋翼飞行器发展要缓慢得多。这是因为旋翼飞行器的控制比较复杂。但是相对于固定翼飞行器,旋翼飞行器具有难以比拟的优点:具备自主起飞和着陆能力,能够适应各种环境,能以如悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行。这些优点决定了旋翼飞行器比固定翼无人机具有更广阔的应用前景。而在旋翼飞行器个大家族中,四旋翼无人直升机以其新颖的
21、结构布局、独特的飞行方式引起了我们的关注。飞行器本体如图6所示图6 四旋翼飞行器本体图形3 系统设计目标和设计方案3.1系统设计目标目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态控制,存在硬件资源有限,运算和处理速度慢等问题。本研究硬件开发平台使用 ARM 芯片作为核心处理器,大量使用 MEMS 传感器,整个系统要求体积小、重量轻。同时对各个传感器输出的信号进行采集和处理,并采用了硬件抗干扰措施,提高飞行控制硬件系统的稳定性和抗干扰性。本文的主要内容是设计小型四旋翼飞行器的控制系统,实现小型四旋翼自主控制飞行器在近地环境下的姿态控制。其中,飞行高度在5米之内,四旋翼飞行器的俯仰角和滚转角控制范围是
22、30度,航向角的控制范围是0到360度。实现的主要功能如下;1)提供多个通信信道,使飞行器与陀螺仪、磁航向计、高度计、导航系统、地面测控系统通信;2)提供足够的存储空间,以满足复杂控制软件的实现;3)检测飞行器的状态量,包括高度、速度、航向、姿态等;4)通过串口接口与地面测控细系统通讯,一方面获取地面的控制信号,另一方面将飞行器的状态信息回传给地面;5)飞行器能工作在手动和自动的切换模式。3.2控制系统结构设计小型四旋翼飞行器控制系统包括硬件和软件两部分。控制系统主要实现的功能为:信息采集与检测、数据传输和系统控制等。3.2.1控制系统总体框架 四旋翼飞行器的飞行控制系统通常由传感器测量装置、
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- 基于 ARM 四旋翼 自主 飞行 控制系统 设计
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