四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)范文

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摘要：文章主要研究基于NImyRIO小型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，小型四旋翼飛行器擁有靈活小巧且軟硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且以NImyRIO芯片為核心。飛行器的設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信模塊，控制器模塊，傳感器檢測(cè)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊。小型四旋翼飛行器采用的是PID控制算法。PID控制算法是自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用基本控制方式。通過(guò)PID控制算法調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)小型四旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行。

關(guān)鍵詞：小型四旋翼；無(wú)人機(jī)；NImyRIO；PID控制

1概述

1.1研究背景及意義

四旋翼飛行器屬于無(wú)人機(jī)中的一種，由4片螺旋槳構(gòu)成，4片螺旋槳呈十字形分布。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作較靈活，機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)，具有很好的飛行穩(wěn)定性。所以有非常廣闊的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)價(jià)值，廣泛的應(yīng)用于空中拍攝，自然火災(zāi)以及各行業(yè)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控與巡查維修中。本文研究小型四旋翼飛行器在NImyRIO控制下，初步實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的飛行。

1.2本文主要研究?jī)?nèi)容

第一部分為緒論，簡(jiǎn)單介紹四旋翼的背景及研究意義。第二部分簡(jiǎn)要論述四旋翼的飛行原理。第三部分為小型四旋翼飛行器的硬件的選型。第四部分為結(jié)束語(yǔ)，總結(jié)本文的不足以及之后的研究與學(xué)習(xí)的方向。

2小型四旋翼飛行器飛行原理

飛行原理介紹：小型四旋翼飛行器的飛行是通過(guò)控制器和各傳感器對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)信息的控制，控制器通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制四旋翼的姿態(tài)，從而讓四旋翼實(shí)現(xiàn)各種飛行動(dòng)作。在圖1（a）中，相鄰的兩對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的。當(dāng)初始時(shí)刻4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，然后電機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高逐漸升高時(shí)，四個(gè)電機(jī)上對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺旋槳所產(chǎn)生的上升力也由低到高逐漸變大，當(dāng)四個(gè)螺旋槳向上的升力總和提升到大于四旋翼整體的重量時(shí)，四旋翼便開(kāi)始在豎直方向上垂直上升；反之，如果4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢慢下降時(shí)，四旋翼便開(kāi)始在豎直方向上垂直下降。當(dāng)四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力之和恰好等于無(wú)人機(jī)本身的重量時(shí)，這時(shí)四旋翼便會(huì)處于懸停狀態(tài)。在圖1（b）中，在保持電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速不變的同時(shí)，增加電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，這時(shí)，螺旋槳1的升力便會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，而螺旋槳3升力便會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低而減小，從而會(huì)在機(jī)身Y軸上產(chǎn)生一個(gè)不平衡力矩，四旋翼飛行器受這個(gè)不平衡力矩的影響將繞機(jī)身的Y軸旋轉(zhuǎn)；同理如果當(dāng)電機(jī)1轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)3轉(zhuǎn)速增加時(shí)，四旋翼飛行器則繞機(jī)身Y軸向另一方向旋轉(zhuǎn)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)控制。在圖1（c）中，在保持電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速不變的同時(shí)，電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速一個(gè)變大另一個(gè)變小，則會(huì)在機(jī)身的X軸上產(chǎn)生一個(gè)不平衡力矩，則四旋翼飛行器會(huì)繞機(jī)身的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)姿態(tài)控制。在圖1（d）中，在增加電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速的同時(shí)，降低電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)1和3上對(duì)應(yīng)的螺旋槳對(duì)機(jī)身的反扭矩大于電機(jī)2和4上對(duì)用的螺旋槳對(duì)機(jī)身的反扭矩時(shí)，便會(huì)在四旋翼Z軸上產(chǎn)生一個(gè)扭力矩，四旋翼便會(huì)在這個(gè)扭力矩的作用下繞機(jī)身的Z軸旋轉(zhuǎn)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)偏航姿態(tài)控制[1]。

3小型四旋翼飛行器硬件的選型

3.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）控制模塊。本文選用了可重配置I/O技術(shù)的嵌入式控制器NImyRIO，它是NI公司針對(duì)學(xué)生和教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用而推出的一款嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。它有數(shù)字輸入和輸出線四十條，支持PWM、異步收發(fā)傳輸器和IIC，差分模擬輸入和對(duì)地參考模擬輸出各兩個(gè)，十二個(gè)單端模擬輸入輸出，這使得控制與連接外設(shè)及傳感器可以非常方便的通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。NImyRIO可重新定制的性能強(qiáng)大，它的核心是一塊可重新構(gòu)建的可編程門(mén)陣列作為分布式應(yīng)用，以及一塊667兆赫茲的雙核心ARMCortex-A9可編程處理器。（2）傳感器模塊。本文中對(duì)四旋翼飛行器飛行的控制，選用了一款9軸慣性導(dǎo)航模塊，該9軸慣性導(dǎo)航模塊集成了JY901（3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀、3軸磁力計(jì)）。相比于MPU6050，擁有更低的功耗。飛行控制器通過(guò)串口通信方式獲取該模塊的9軸數(shù)據(jù)。（3）驅(qū)動(dòng)模塊。本文中選用無(wú)刷電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力，對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制需要加裝電子調(diào)速器對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文選用了好盈的一款Skywalker-40A，該電調(diào)有電池低壓保護(hù)、電壓輸入異常保護(hù)、溫度保護(hù)和油門(mén)信號(hào)丟失保護(hù)。同時(shí)，還具有電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)的功能，當(dāng)電源通電時(shí)，無(wú)刷電機(jī)不會(huì)馬上轉(zhuǎn)動(dòng)（不管油門(mén)搖桿在什么位置上）?？刂破靼颜伎毡炔煌腜WM波輸出到電子調(diào)速器上，電子調(diào)速器根據(jù)不同的波而產(chǎn)生不同大小的電流，來(lái)控制和改變無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（4）執(zhí)行模塊及電源模塊。根據(jù)本文中所選用的NImyRIO控制器的外形尺寸和重量大小，為了四旋翼?yè)碛凶銐虻呢?fù)載能力和機(jī)械強(qiáng)度，本文中選擇了一款碳纖維復(fù)合材料的機(jī)架，選用了大疆2312/800kV直流無(wú)刷電機(jī)（重56g）；選用了9450槳螺旋（13g），最大拉力可達(dá)800g/軸，滿足了整體負(fù)載要求。本文的電源選用了2200mAh、11.1V、3S鋰電池，為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。

3.2控制算法（PID）

在工業(yè)設(shè)備中，也經(jīng)常用到PID調(diào)節(jié)。（1）比例環(huán)節(jié)（P）：控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)成比例的變化，一旦產(chǎn)生偏差，會(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)成比例的信號(hào)來(lái)減小偏差，比例控制不會(huì)去除誤差，只能反映出誤差[2]。（2）積分環(huán)節(jié)（I）：積分項(xiàng)是用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而可以提高控制系統(tǒng)的控制精度，積分的時(shí)間常數(shù)TI在方程式的分母位置，所以其值越小積分項(xiàng)變化得越快，積分作用越大。（3）微分環(huán)節(jié)（D）：主要作用是反映誤差的變化速率，并且在誤差變得太大之前，預(yù)先引入一個(gè)修正處理信號(hào)，從而加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度減少調(diào)節(jié)時(shí)間[2]。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次四旋翼飛行器的研究與設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西。本文只是粗淺的對(duì)小型四旋翼基本結(jié)構(gòu)組成的簡(jiǎn)單介紹，不夠深入?；诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、成本低廉和獨(dú)特的控制方式，四旋翼無(wú)人機(jī)有著廣大的應(yīng)用價(jià)值，目前四旋翼飛行器的發(fā)展速度飛快，使得越來(lái)越多的人們爭(zhēng)相關(guān)注與研究。在之后的學(xué)習(xí)中會(huì)在小型無(wú)人機(jī)自適應(yīng)控制方面多加學(xué)習(xí)與研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者：侯恭；董明飛；康立鵬；孟瑞鋒 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)