四旋翼飛行器設計與實現(xiàn)范文

本站小編為你精心準備了四旋翼飛行器設計與實現(xiàn)參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：文章主要研究基于NImyRIO小型四旋翼飛行器的設計與實現(xiàn)，小型四旋翼飛行器擁有靈活小巧且軟硬件結構比較簡單的特點，并且以NImyRIO芯片為核心。飛行器的設計包括藍牙通信模塊，控制器模塊，傳感器檢測模塊，驅動模塊、電源模塊和電機執(zhí)行模塊。小型四旋翼飛行器采用的是PID控制算法。PID控制算法是自動控制系統(tǒng)的常用基本控制方式。通過PID控制算法調(diào)整，可以實現(xiàn)小型四旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行。

關鍵詞：小型四旋翼；無人機；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人機中的一種，由4片螺旋槳構成，4片螺旋槳呈十字形分布。四旋翼飛行器結構較簡單，操作較靈活，機動性很強，具有很好的飛行穩(wěn)定性。所以有非常廣闊的應用和開發(fā)價值，廣泛的應用于空中拍攝，自然火災以及各行業(yè)線路的實時監(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，初步實現(xiàn)較穩(wěn)定的飛行。

1.2本文主要研究內(nèi)容

第一部分為緒論，簡單介紹四旋翼的背景及研究意義。第二部分簡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。第四部分為結束語，總結本文的不足以及之后的研究與學習的方向。

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控制器和各傳感器對飛機的姿態(tài)信息的控制，控制器通過改變電機的轉速來控制四旋翼的姿態(tài)，從而讓四旋翼實現(xiàn)各種飛行動作。在圖1（a）中，相鄰的兩對螺旋槳轉動方向是相反的。當初始時刻4個電機的轉速相同，然后電機轉速由低到高逐漸升高時，四個電機上對應的四個螺旋槳所產(chǎn)生的上升力也由低到高逐漸變大，當四個螺旋槳向上的升力總和提升到大于四旋翼整體的重量時，四旋翼便開始在豎直方向上垂直上升；反之，如果4個電機的轉動速度慢慢下降時，四旋翼便開始在豎直方向上垂直下降。當四個螺旋槳產(chǎn)生的升力之和恰好等于無人機本身的重量時，這時四旋翼便會處于懸停狀態(tài)。在圖1（b）中，在保持電機2和4的轉速不變的同時，增加電機1的轉速，降低電機3的轉速，這時，螺旋槳1的升力便會隨著電機轉速的增大而增大，而螺旋槳3升力便會隨著電機轉速的降低而減小，從而會在機身Y軸上產(chǎn)生一個不平衡力矩，四旋翼飛行器受這個不平衡力矩的影響將繞機身的Y軸旋轉；同理如果當電機1轉速降低，電機3轉速增加時，四旋翼飛行器則繞機身Y軸向另一方向旋轉，從而使飛行器實現(xiàn)俯仰姿態(tài)控制。在圖1（c）中，在保持電機1和3的轉速不變的同時，電機2和4的轉速一個變大另一個變小，則會在機身的X軸上產(chǎn)生一個不平衡力矩，則四旋翼飛行器會繞機身的X軸轉動，從而使飛行器實現(xiàn)滾動姿態(tài)控制。在圖1（d）中，在增加電機1和3的轉速的同時，降低電機2和4的轉速，此時電機1和3上對應的螺旋槳對機身的反扭矩大于電機2和4上對用的螺旋槳對機身的反扭矩時，便會在四旋翼Z軸上產(chǎn)生一個扭力矩，四旋翼便會在這個扭力矩的作用下繞機身的Z軸旋轉，從而使飛行器實現(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)的設計

（1）控制模塊。本文選用了可重配置I/O技術的嵌入式控制器NImyRIO，它是NI公司針對學生和教學創(chuàng)新應用而推出的一款嵌入式系統(tǒng)開發(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，差分模擬輸入和對地參考模擬輸出各兩個，十二個單端模擬輸入輸出，這使得控制與連接外設及傳感器可以非常方便的通過編程來實現(xiàn)。NImyRIO可重新定制的性能強大，它的核心是一塊可重新構建的可編程門陣列作為分布式應用，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。本文中對四旋翼飛行器飛行的控制，選用了一款9軸慣性導航模塊，該9軸慣性導航模塊集成了JY901（3軸加速度計、3軸陀螺儀、3軸磁力計）。相比于MPU6050，擁有更低的功耗。飛行控制器通過串口通信方式獲取該模塊的9軸數(shù)據(jù)。（3）驅動模塊。本文中選用無刷電機來提供動力，對無刷電機的控制需要加裝電子調(diào)速器對其進行驅動。本文選用了好盈的一款Skywalker-40A，該電調(diào)有電池低壓保護、電壓輸入異常保護、溫度保護和油門信號丟失保護。同時，還具有電機啟動保護的功能，當電源通電時，無刷電機不會馬上轉動（不管油門搖桿在什么位置上）。控制器把占空比不同的PWM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，來控制和改變無刷電機的轉速。（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，為了四旋翼擁有足夠的負載能力和機械強度，本文中選擇了一款碳纖維復合材料的機架，選用了大疆2312/800kV直流無刷電機（重56g）；選用了9450槳螺旋（13g），最大拉力可達800g/軸，滿足了整體負載要求。本文的電源選用了2200mAh、11.1V、3S鋰電池，為整個系統(tǒng)提供能源。

3.2控制算法（PID）

在工業(yè)設備中，也經(jīng)常用到PID調(diào)節(jié)。（1）比例環(huán)節(jié)（P）：控制系統(tǒng)的輸入輸出信號成比例的變化，一旦產(chǎn)生偏差，會立即產(chǎn)生一個成比例的信號來減小偏差，比例控制不會去除誤差，只能反映出誤差[2]。（2）積分環(huán)節(jié)（I）：積分項是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而可以提高控制系統(tǒng)的控制精度，積分的時間常數(shù)TI在方程式的分母位置，所以其值越小積分項變化得越快，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，預先引入一個修正處理信號，從而加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度減少調(diào)節(jié)時間[2]。

4結束語

通過本次四旋翼飛行器的研究與設計，學到了很多東西。本文只是粗淺的對小型四旋翼基本結構組成的簡單介紹，不夠深入。基于結構簡單、性能優(yōu)越、成本低廉和獨特的控制方式，四旋翼無人機有著廣大的應用價值，目前四旋翼飛行器的發(fā)展速度飛快，使得越來越多的人們爭相關注與研究。在之后的學習中會在小型無人機自適應控制方面多加學習與研究。

參考文獻：

[1]魏麗文.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計[D].哈爾濱工業(yè)大學，2010.[2]于海生.計算機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：101-117.

[3]齊書浩.微型四旋翼飛行器的總體設計及其運動控制[D].上海交通大學，2013.[4]趙金亮.微型四旋翼飛行器控制方法研究及控制器設計[D].遼寧工業(yè)大學.

[5]王偉，馬浩，孫長銀.四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設計[J].科學技術與工程，2013，19（7）：5513-5518.

[6]許云清.四旋翼飛行器飛行控制研究[D].廈門大學，2014.

[7]趙敏.淺談四旋翼飛行器的技術發(fā)展方向[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（16）：100.

作者：侯恭；董明飛；康立鵬；孟瑞鋒 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學