1、第 第 頁飛機方案設計實例一、項目可行性分析背景分析：無人飛行器自主飛行技術多年來一貫是航空領域討論的熱點，并且在實際應用中存在大量的需求，主要優(yōu)點包括：系統(tǒng)制造成本低，在執(zhí)行任務時人員損害小，具有優(yōu)良的操控性和敏捷性等。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比，其優(yōu)勢還包括：飛行器起飛和降落所需空間少，在障礙物密集環(huán)境下的可控性強，以及飛行器姿態(tài)保持技能高。小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢在于其機械結構較為簡約，并且只需通過轉變四個馬達的轉速即可實現(xiàn)掌握，且飛行機動技能更加敏捷。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有在小區(qū)域范圍內起飛，回旋，飛行，著陸的技能。因此我們依據(jù)四旋翼

2、飛行器的特點，提出了一種數(shù)字式飛行掌握系統(tǒng)的總體結構。飛行掌握計算機是四旋翼飛行器自動駕駛儀的基本組成部件。采納模塊化設計思想，設計開發(fā)一種基于PIC32高性能單片機為核心的飛行掌握計算機。四旋翼飛行器采納對稱分布的結構形式，建立非線性數(shù)學模型。通過引入四個掌握量，把非線性模型分解并線性化，得出懸停狀態(tài)下四旋翼飛行器簡化的線性模型，采納經典的PID掌握方法，并對數(shù)字仿真結果進行分析，驗證掌握方案的可行性；同時，制作四旋翼飛行器的結構形狀和以傳感器、飛行掌握計算機、執(zhí)行機構為核心的主體硬件，在硬件和軟件上都要實行其基本功能。二、項目內容本項目討論四軸飛行器，實現(xiàn)飛行、采樣、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。所涉?/p>

3、到的技術許多，主要有：軟件算法、微電子、模擬電子技術、機電一體化和自動掌握理論等。所以，項目小組將其分析這個部分，一一攻克。飛行掌握系統(tǒng)理論分析，建立數(shù)學模型，硬件選型及原理設計在討論四旋翼飛行器掌握算法之前，首先需要建立飛行器系統(tǒng)的動力學模型。在本章中，首先介紹建模的基本方法：選取影響飛行器運動的關鍵受力和力矩，再依據(jù)相應的物理定律建立飛行器的動力學方程。然后在得到四旋翼飛行器的動力學方程之后，適當?shù)倪x取掌握量，運用掌握理論中經典的PID掌握算法。對飛行器系統(tǒng)進行掌握。軟件編程，同時進行硬件搭建考慮到現(xiàn)實試驗室的條件，有用采納以下的硬件方面采納PIC32做航姿校正掌握核心，DsPIC30F4

4、013做電機掌握，PIC18F45K20做超聲測距進行高度保持，nRF2401做數(shù)據(jù)傳輸，加速度傳感器MMA7260。圖1就是該系統(tǒng)框圖。航姿掌握掌握算法實現(xiàn)：航姿掌握掌握算法應當包括姿態(tài)掌握和航行行為掌握。其中空中姿態(tài)掌握應當是自主完成的，主要包括飛行器的自旋、俯仰、側傾和高度。而航行行為掌握主要是由操通過無線傳輸對飛行器進行遙控操作的。假如空中姿態(tài)能夠很好得掌握和保持，那么航行行為掌握的問題也就迎刃而解了。所以以下重點爭論空中姿態(tài)掌握問題。為描述方便起見，由下列圖簡約示意，后續(xù)描述皆以圖為參考：四軸飛行器的一切掌握行為都是通過調整四個動力電機的轉速來實現(xiàn)的。首先，為了克服飛行器自旋，需要相

5、鄰的任意兩電機轉向相反；而位置相對的一對電動機轉向全都如上圖所示，通過精確調整這兩對電機的轉速，使其反扭矩相互抵消，在此調整過程中為避開造成飛行器側傾或俯仰角度發(fā)生改變，需同步轉變位置相對的一對電動機的轉速。其次，為使飛行器保持水平，需要轉變某一個電機的轉速，以重新保持水平，而這一調整會引起四個電機反扭矩的不均衡，造成飛行器自旋，故而需要同步調整相對位置的同向旋轉的電機的轉速，使其重新達到平衡。例如飛行器由于某種擾動造成右傾，此時需要提高電機丁的轉速從而增加其升力，而此一行為會造成整個飛行器順時針力矩增加從而開始自旋，所以在增大電機丁的轉速的同時還需要同步減小電機乙的轉速，以抵消其增加反力矩。最末，為了保持高度穩(wěn)定，需要通過某種手段檢測飛行器的實時高度，目前考慮的方案是超聲波測距，日后不摒除激光測距和GPS的可能性。不過超聲測距和GPS的分工不同，超聲測距主要負責在010m范圍內的高度檢測，而GPS的精度決斷了它只適用于高度較高的狀況下保持高度之用。以上談到的都是掌握的原理，詳細手段就需要通過單片機來實現(xiàn)了。假如想達到較好的掌握效果，PID算法是必不