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        四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與仿真分析

        2014-12-31 00:00:00楊維周冰倩吳志剛程亮楊敏

        摘 要:四旋翼飛行器由主控芯片、數(shù)據(jù)采集器、電機(jī)驅(qū)動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源等六部分組成。其中,控制核心采用STM32F103ZET6,負(fù)責(zé)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)處理和飛行姿態(tài)控制;采用高精度陀螺儀以及自帶加速度計(jì)和溫度計(jì)的采集器MPU6050做飛行姿態(tài)反饋機(jī)構(gòu);用一片ADuM1400將控制輸出的PWM與電機(jī)隔離,有效消除了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對微控制器的沖擊電流;采用轉(zhuǎn)速高,響應(yīng)快的四路空心杯電機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過對電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)以及對受力情況的Matlab建模分析直觀的觀測控制量與運(yùn)動的狀態(tài)。結(jié)果表明,通過對多個物理量的PID控制可以很好的控制垂直飛行和水平勻速飛行。

        關(guān)鍵詞:四旋翼飛行器;PID;Matlab仿真

        中圖分類號:V249.1

        四旋翼飛行器憑借其結(jié)構(gòu)簡單、自由度高、機(jī)身能夠做到很小,成本低等特點(diǎn),使其能夠適應(yīng)于各種速度及各種飛行剖面航路的飛行狀況,具有一般戰(zhàn)場需要的各種作戰(zhàn)功能。美日等國家均有此類概念研究項(xiàng)目。

        1 基本工作原理

        四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速,從而改變四個旋翼的升力,來實(shí)現(xiàn)控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī),但只有四個輸入力(M1,M2,M3,M4旋翼產(chǎn)生的升力),同時(shí)卻有六個控制輸出(俯仰角,翻滾角,偏航角,垂直位移,前后位移,左右位移),所以它是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。

        四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,在剛性的十字架的四個臂桿上分別固定一個電機(jī),通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動旋翼旋轉(zhuǎn)提供向上的升力,從而使飛行器獲得動力來源,通過調(diào)節(jié)電機(jī)M1-M4的轉(zhuǎn)速使飛行器呈現(xiàn)不同的飛行狀態(tài)。

        2 數(shù)學(xué)模型

        2.1 電機(jī)及旋翼的數(shù)學(xué)模型。電機(jī)為四旋翼飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu),我們必須對電機(jī)輸入電壓和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系有精確的了解才能精確的控制轉(zhuǎn)速,以達(dá)到準(zhǔn)確的控制。根據(jù)電機(jī)的電樞平衡方程: 和轉(zhuǎn)矩平衡方程(負(fù)載轉(zhuǎn)矩為krω2):

        式中,u為電機(jī)兩端所加電壓;i為電機(jī)輸入電流;R為電機(jī)電樞繞組內(nèi)阻; 為電機(jī)電樞繞組電感;Ce為電機(jī)反電勢系數(shù);Jr為旋翼的轉(zhuǎn)動慣量;Cs為固體摩擦;km為機(jī)械扭矩常數(shù);kr為負(fù)載扭矩常數(shù)。

        由此結(jié)構(gòu)圖容易在Matlab工具包simulink中畫出仿真運(yùn)算圖。

        2.2 四旋翼飛行器的動力學(xué)。由牛頓第二定律可得出:

        由于慣性測量單元測量的是機(jī)體坐標(biāo)系中繞三軸旋轉(zhuǎn)的角速度(p,q,r),需要通過變換得到Euler角。變換矩陣如下:

        使用拉格朗日和其推導(dǎo)公式可以得到運(yùn)動方程:

        3 硬件電路的設(shè)計(jì)

        3.1 飛行姿態(tài)感測。姿態(tài)感測部件承擔(dān)著對飛行器飛行姿態(tài)的反饋,并通過處理器對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后通過對4個電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),以達(dá)到控制飛行器姿態(tài)的要求。這里我們采用MPU6050高精度陀螺加速度計(jì),采樣數(shù)據(jù)使用I2C總線進(jìn)行傳輸,可以測量三維的加速度、角速度、姿態(tài)角,相較使用多個陀螺儀和加速度計(jì)使用起來方便許多。

        3.2 主控芯片的選擇。STM32F103ZET6是32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器,工作頻率最高達(dá)72MHz,多達(dá)11個定時(shí)器,可以輸出11路PWM,兩個I2C總線,3個SPI總線。與常用的控制器80C51相比較,由于80C51系列的最高工作頻率為24MHz,對于采樣數(shù)據(jù)較多,運(yùn)算復(fù)雜的程序來說,得出結(jié)果所用的時(shí)間較長,并且80C51系列單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲空間過小,對體積較大的程序來說需要外部擴(kuò)展存儲單元,而且功能非常有限,根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)得出,80C51系列單片機(jī)不適用于飛行器控制。

        3.3 無線收發(fā)模塊。單片2.4G無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片,數(shù)據(jù)傳輸率1或2Mbps,125個可選工作頻道,使用SPI接口進(jìn)行設(shè)置,通過使用不同通道傳送各種不同的測量數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        3.4 電機(jī)驅(qū)動??刹捎肁DI公司的iCoupler系列數(shù)字隔離器將控制芯片輸出的4路PWM波與電機(jī)隔離,并且由于ADuM1400將CMOS與芯片級變壓器技術(shù)相結(jié)合,大大降低了電路板的體積和功耗。

        4 控制算法

        首先對控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行分析。無論系統(tǒng)經(jīng)過何種運(yùn)動最終要達(dá)到懸停狀態(tài),也就是穩(wěn)定狀態(tài),即三軸加速度(可通過測量元件測量)均為零,四個電機(jī)的速度相同,提供的升力與重力抵消,U2,U3,U4均為零。其中加速度采用比例、微分和積分三個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。位置采用比例和微分環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。在實(shí)際給定系數(shù)時(shí),由于加速度產(chǎn)生微弱的改變就可使位置產(chǎn)生劇烈的變化,在對位置比例環(huán)節(jié)取值時(shí)不應(yīng)過大,取值過大會造成飛行器來回漂移。三個軸向的加速度給定值,應(yīng)該全部給零,如果加速度的不能控制為零,會導(dǎo)致飛行器進(jìn)行加速運(yùn)動,即所有的角度也應(yīng)該控制在零。

        經(jīng)典PID控制公式如下:

        便可預(yù)估下一時(shí)刻的位置偏差值,由于采樣過程中飛行器仍在運(yùn)動,當(dāng)前采樣值已經(jīng)與當(dāng)前的實(shí)際值不相符,因此需要對其進(jìn)行預(yù)估,使用預(yù)估值進(jìn)行計(jì)算和控制。則經(jīng)典的PID算法可變?yōu)椋?/p>

        代入整理得:

        上式為預(yù)估值的位置式PID控制算法。對于本系統(tǒng)來說,加速度給定量為零,則:as(k)=-ea(k)

        5 結(jié)束語

        本文通過對四旋翼飛行器建模分析,給出了四旋翼飛行器的基本框架。通過理論分析,在飛行器垂直飛行時(shí),通過經(jīng)典的PID控制可以很好的控制垂直方向的位移,而在控制水平方向運(yùn)動時(shí),由于在水平方向上產(chǎn)生了加速度,通過兩次積分便得到水平位移,當(dāng)加速度通過PID調(diào)節(jié)至零時(shí),便做勻速運(yùn)動。因此,該系統(tǒng)可以很好的控制水平飛行速度。本文還通過對實(shí)際物理情景的分析得出了預(yù)估值的PID控制算法。

        參考文獻(xiàn):

        [1]龐慶霈,李家文,黃文浩.四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與平穩(wěn)控制仿真研究[J].電光與控制,2012(03):51-55.

        [2]楊慶華,宋召青,石磊.四旋翼飛行器建模?控制與仿真[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào).2009(05):500-502.

        作者簡介:楊維(1993-),男,本科,信息工程學(xué)院學(xué)生。

        作者單位:武昌工學(xué)院,武漢 430065

        基金項(xiàng)目:武昌工學(xué)院,信息工程學(xué)院基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:2013XSZD16)。

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