多旋翼飞行器控制系统设计【开题报告+文献综述+毕业设计】

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1、毕业设计开题报告电气工程与自动化多旋翼飞行器控制系统设计一、选题的背景与意义多旋翼飞行器中最具代表性的就是四旋翼飞行器，对四旋翼的研究意义任重而道远。四旋翼飞行器实际上是一类安装有四个螺旋桨的直升机，而且四个螺旋桨在平面上呈现十字交叉的结构。四旋翼飞行器飞行的动作是通过控制和调节周边四个螺旋桨产生的升力大小来实现的。目前传统的旋翼式直升机一般通过改变它的螺旋桨的旋转速度、叶片的倾斜角和叶片的轮列角，从而既能够调整升力的大小，还可以调整升力的方向。但是与传统的旋翼式直升机不同，四旋翼飞行器只可以通过改变四

2、个螺旋桨的速度来实现各种飞行动作。虽然四旋翼飞行器的四个螺旋桨的倾斜角都是固定不变的，但是由于每个螺旋桨都是用弹性材料制做而成的，因而可以通过空气阻力扭曲螺旋桨来改变倾斜角。总之，四旋翼飞行器的升力是四个螺旋桨速度的合成效果，而四旋翼飞行器的旋转力矩则是由四个螺旋桨速度的差异引起的。直升机在他的发展历程中巧妙使用总距控制和周期变矩控制之前，经典的四旋翼的结构被公认为是一种最简单和直观的稳定控制方式。然而由于这种结构形式必须同时协调地控制四个旋翼的运行状态参数，对驾驶员的人为操纵来说是一件非常复杂的事，所

3、以这种方案始终没有能够真正在大型直升机设计中被公众采用。这里，四旋翼飞行器考虑采用这种结构形式，主要是因为总距控制和周期变矩控制虽然精巧，控制灵活，但其复杂的机械结构却使它无法轻易在小型四旋翼飞行器设计中应用，所以很有研究开发的必要。58另外，四旋翼飞行器的旋翼工作效率相对较低，要想从单个旋翼上增加拉力是很有限的，所以采用多旋翼结构形式毋庸置疑是一种提高四旋翼飞行器飞行时的负载能力的最有效的措施之一。针对四旋翼结构存在的控制量较多的问题，可以通过设计合适的自动飞行控制系统去解决。四旋翼飞行器采用四个旋翼

4、的直接动力源，旋翼对称分布在飞行器的前、后、左、右的四个方向，并且四个旋翼处于空间的同一高度的水平面上，而且四个旋翼的结构都相同，四个电机以对称的形式安装在飞行器的支架端，支架中间的空间用于安放飞行控制系统的电路板和电源。典型的直升机一般配备有一个主转子和一个尾桨，他们通过控制舵机来精确改变螺旋桨的桨距角，从而起到控制直升机的姿态和位置的作用，然而四旋翼飞行器与此不同，它是通过调节四个电机转速来改变对应的旋翼转速，实现调整升力的变化，从而起到控制飞行器的姿态和位置的作用。由于四旋翼飞行器是通过改变旋翼转

5、速来实现升力变化，这样会导致其动力相对不稳定，所以在控制方面需要一种能够用于长期保持稳定的控制算法。从结构上说，四旋翼飞行器就是一种六自由度的垂直升降机，因而非常适合在静态和准静态条件下平稳飞行。台湾泰世科技GAUI330X的主要特点：1．兼容35/40/72MHz或2.4GHz遥控器；2．至少需要4通道遥控器；3．使用标准PWM电调和无刷马达，具有无限的动力升级能力；目前航模方面使用的传感器、电机、电子调速器都可以方便购买，而控制核心可以用单片机等具有编程能力的芯片，在一定程度上支持了飞行器的开发。一

6、、研究的基本内容与拟解决的主要问题：研究的基本内容：通过多旋翼飞行器原理的学习，设计多旋翼飞行器的控制器，实现多旋翼飞行器的平稳飞行。具体如下：1．学习多旋翼飞行器的飞行、控制原理；2．合理选择控制器，设计控制方案。拟解决的主要问题：1．设计多旋翼飞行器的硬件控制电路；2．设计多旋翼飞行器的平衡控制算法；3．设计飞行控制软件，实现飞行器的平稳飞行。二、研究的方法与技术路线：完整的多旋翼飞行器控制系统包括控制核心、电子调速器、传感模块、无线模块，系统结构图如图1。581．控制核心：选择了C8051F330

7、，它有768字节内部数据RAM，有8KBFLASH，可在系统编程，扇区大小为512字节，作为高速8051微控制器内核，使用流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期，速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时），具有可扩展的中断系统，有17个端口I/O，均耐压5V和大灌电流，硬件增强型UART、SMBus和增强型SPI串口，有4个通用16位计数器/定时器，有16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有3个捕捉/比较模块，使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式，具有两个内部振荡

8、器：24.5MHz，可支持晶体UART操作；80/40/20/10KHz低频率、低功耗振荡器。支持在片调试：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器）；支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能；廉价而完整的开发套件。在设计中，可以方便利用其内部的定时器功能产生电子调速器所需的PWM控制信号。2．无线模块：选择nRF24L01。此种无线通讯模块工作在2.4GHz全球开