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四旋翼飞行器蓝牙控制系统设计研究

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摘要:针对于四旋翼飞行器,利用蓝牙实现了对飞行器姿态的简单控制。四旋翼飞行器选用AT32UC3A1512单片机作为控制芯片,并且利用LSM303D传感器对飞行器的数据进行实时采集。四旋翼飞行器使用蓝牙进行通信,通过PID算法控制飞行器状态。

关键词:四旋翼飞行器;蓝牙

近几年人工智能和计算机技术飞速发展,智能操作系统已经广泛渗透到人们的生活当中,比如智能家居、自动驾驶等方面[1-4]。四旋翼飞行器具有6个自由飞行角度,能够实现升降、悬停、前后、左右等功能,而且具有结构简单,成本低廉便于维护等优点。

1系统总体设计

四旋翼飞行器的控制系统主要由人机模块、电机模块、姿态控制模块组成。人机交互模块通过蓝牙技术向主控制器发送运行指令,同时各传感器对飞行器自身状态以及外部环境等多种参数进行实时检测,经过主控制器与设定参数相比较并且进行运算处理输出响应信号,最终通过调整电机转速实现对四旋翼飞行器的姿态调整。

2控制器软硬件搭建方案

四旋翼飞行器的四个电动机选用的型号完全相同,并且按照顺时针相差九十度的顺序依次安装在飞行支架上。四个电机的旋转方向一共分为两种:顺时针和逆时针。旋翼的旋转方向与其所在位置有关,相邻旋翼的电机转动方向是相反的,反之运行方向相反。这样能够保证电动机之间产生的作用了相互抵消,保证四旋翼飞行器自身的稳定性。对四旋翼飞行器我们分别沿着X、Y、Z轴对其建立坐标系,每个坐标轴上有两个自由度,因此四旋翼飞行器具有六种基本飞行动作。

2.1电动机及其驱动电路

当前四旋翼飞行器采用的控制电机的方案多种多样,但是流行较为广泛的却不多。本文中对各种电动机的优缺点进行综合考虑,选择小型的空心杯电动机作为四旋翼飞行器的主电动机。空心杯电机在结构上与传统电机的转子结构不同,运用无心转子技术具有十分突出的轻便和节能的特性,因此空心杯电动机非常适合用于微型小型的四轴飞行器。同时也具有一些不利于飞行器设计的因素,比如该电机相对于传统电机来说具有较差的承重能力,不能为飞行器提供较大的升力,在设计飞行器的同时需要考虑到机身的重力问题。

2.2主控制器及其传感器的选用

四旋翼飞行器的主控制器在飞行器运行时需要实时处理各种传感器送达的检测数据,工作量非常大,对芯片的要求较高。同时需要对飞行器电机性能、电池电量以及主芯片的处理能力等因素进行综合考虑。由于选用的空心杯电机能够承受的负载能力较小,需要考虑主控制器的体积以及重量,因此选用AT32UC3A1512作为四旋翼飞行器的主控制器。该控制器运算能力强大,包含丰富的I/O端口和总线的外设。在对电机进行驱动时需要比较强的控制信号,所以需要将控制信号的驱动能力增大。四旋翼飞行器的各种传感器相当于四旋翼飞行器的左膀右臂,能够完成主控制器所需要的的各项数据。这些传感器在飞行器运行过程中实时采集飞行器的各项数据,并且将数据传输到主控制器从而调整飞行姿态。加速度传感器主要用来测量四旋翼飞行器的加速度,陀螺仪则用来测量四旋翼飞行器运行时水平方向上的速度。由于文中设计的是小型四旋翼飞行器,同时还综合各传感器芯片的重量以及性能,因此选用LSM303D集成传感器芯片,它的运行速度以及芯片体积完全可以满足我们的设计要求。

3飞行姿态控制

飞行姿态控制主要是用户通过人机交互界面控制端发送控制指令,通过蓝牙将指令传输给主控制器,同时结合LSM303D集成传感器芯片通过PID控制算法调整PWM波形实现对四旋翼飞行器的姿态控制。

3.1上位机软件设计

在上位机的设计中,文中采用QT完成人机交互界面的设计,并且把该设计移植到智能手机上。该设计分为两层,一层实现用户与飞行器的简单连接,显示相应操作按钮;另外一层实现蓝牙通信的建立,完成蓝牙连接之后根据蓝牙属性建立数据通道。App将用户的操作根据设定好的协议转换成相应的控制指令,通过数据通道下发给下位机完成上位机功能。

3.2控制算法实现

下位机软件主要是对上位机发出的数据进行解析并且结合LSM303D获得的参数通过PID算法对PWM波形进行输出调整,使得电机的转速达到所需值。

4结束语

本文介绍了四旋翼飞行器控制系统的总体设计框架,描述了四旋翼飞行器主要工作原理。在软件方面描述了四旋翼飞性系统姿态控制算法,并且以飞行器的高度为例介绍了整个PID算法的实现,使得四旋翼飞行器运行更加的稳定,操作更加简便。

参考文献:

[3]谭善文,秦树人,汤宝平.Hilbert-Huang变换的滤波特性及其应用[J].重庆大学学报:自然科学版,2004,27(2):9-12

[4]杜修力,何立志,侯伟.基于经验模态分解((EMD)的小波阈值除噪方法[J].北京工业大学学报,2007,33(3):265-272

作者:李振政;纪志坚;孙洪超 单位:青岛大学自动化工程学院

飞行器测控学报责任编辑:张雨    阅读:人次