1、基于 APM 飞控技术的定点投送飞行器摘要四轴飞行器是微型无人飞行器的一种，装有 4 个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉，分为前后和左右两组(即对角线上为一组 )。两组螺旋桨的旋转方向相反，可以抵消 反扭力矩。螺旋桨具有固定浆距，飞行过程中只需改变四个轴的转速即可实现各种复杂运动。国外某些科技公司，如亚马逊，正在开发研究利用多旋翼飞行器进行快递投送等自动化的物流业务，可见其具有广泛的军事和民事应用前景。但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量、非线性等比较复杂的特性。因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚
2、转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。本文限于作者能力未对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,而是一定程度上简化了四旋翼飞行器的数学模型，在一定姿态角度内近似将其看作线性系统，以方便使用 PID 控制算法对飞行器在空中的三个欧拉角进行控制。本文提出了四旋翼飞行器的系统设计方案，按照功能分别设计了姿态检测单元、姿态控制单元、执行单元和基于 GPS 的简单导航系统单元。该系统能进行飞行器的常用控制操作，并能接收并分析出需要的 GPS 定位信息，与存储的定位坐标进行简易地自主导航，并在显示屏上模拟和显示。本文主要参考国际上四旋翼开源项目,
3、基于 AVR8 位单片机Atmega328p、MPU6050IMU 模块进行了硬件选型、电路设计与制作、软件代码的编写及调试，最终实现较好的控制结果。关键词：四轴飞行器; APM 飞控; PID 控制器; ArduCopter ; IIC 总线; GPS 导航;AbstractQuadCcpter is an unmanned MAV(Micro Air Vehicle), with four propellers which are cross-shaped, Divided into two pairs of longitudinal and horizontally (as a grou
4、p in a diagonal). Two propellers rotating in opposite directions , can counteract the anti- torque .The blade pitchIt of propellers is fixed, changing the rotational speed of the four propellers simply to do complex movement during the flight. Some foreign technology companies, such as Amazon, is th
5、e development and utilization of multi rotor aircraft of the express delivery and other automated logistics business, visible it has broad application prospects in military and civil. But the four rotor aircraft control difficult, the difficulty lies in the vehicle has the characteristics of multi v
6、ariable, nonlinear underactuated, such as complex. Therefore, modeling and control of four rotor aircraft has become a hot and difficult control field. Four rotor aircraft operations, such as: all the climb and descent, hovering, rolling motion, pitching, yawing movement etc. In this paper, using th
7、e Newton Euler model to describe the four rotor aircraft flight attitude. In this paper, limited ability of the author detailed analysis and Research on the four rotor aircraft do not stand structure and dynamics, but to a certain extent, simplifying the mathematical model of four rotor aircraft, in
8、 a certain attitude angle in approximation as the linear system, in order to facilitate the use of PID control algorithm for the control of the aircraft in the air of the three Euler angle.This paper presents the system design scheme of four rotor aircraft were designed, according to the function of
9、 attitude detection unit, attitude control unit, an execution unit and a simple navigation system unit based on GPS. Commonly used to control the operation of the system can make the aircraft, and can receive and analysis of GPS positioning information need, and storage location coordinates are simp
10、ly the autonomous navigation, and the simulation on the display and display. This paper mainly with reference to the four rotor open source project, AVR8 SCM and MPU6050IMU module based on Atmega328p are compiled and debugged the hardware selection, design and manufacture, circuit software code, and
11、 eventually realize the better control results.Key words: Quadcopter; APM(ArduPilotMega) ;PID controller; ArduCopter; 1 绪论1.1 研究背景四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外的研究热点。作为无人机中富有生命力的机型，四轴飞行器还具备无人机的多种优势。无人机是一种体型较小、无人驾驶，能够在空中实现自主飞行并
12、执行一定任务的飞行器。无人机与普通飞机相比,其结构简单成本低，便于制造和维护；由于无人驾驶，因此其有效载荷更大，能够安装更多的设备或武器，完成任务的效率和可靠性更高；而且即使出现意外险情也不会危及到飞行员的生命安全，因此广泛应用于各种高风险的任务中。在军事领域，无人机早己投入到实战使用中 1。无人机在战争中可以实施战场侦査、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如，美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“全球鹰”无人机，在取得巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中，无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域，无人机也发挥着巨大的作用。例如，无人机
13、可以在发生重大灾害后实施侦査、搜寻与救援工作；可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中；还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此，世界各国都非常重视无人机的研制工作。按照结构的不同，无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两种，其中前者又可分为螺旋桨式固定翼无人机和喷气式固定翼无人机两种，后者又可分为单旋翼无人机和多旋翼无人机两种。两者的飞行原理也不同，固定翼无人机利用发动机产生的推力或者拉力使飞机高速前进，利用机翼产生维持飞行状态的升力；而旋翼无人机则利用一个或多个螺旋桨高速旋转产生升力，并利用升力在水平面上的分力实现前后、左右运动 2。与固定翼无人机相比,旋翼无人机具有能够向后飞行
14、、垂直起降和悬停的特点,对起飞、降落场地的条件要求很少,控制起来非常灵活,能够满足多种用途,因此旋翼无人机具有更大的研究价值。四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比,具冇结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点;而且四旋翼飞行器非常远在狭小的空间内执行任务。因此,四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点 3。飞行控制器是四旋翼飞行器最核心的部分，飞行器通过飞行控制器与外界交互并做出反应，使得飞行器能够在没有外界操纵和干预的情况下自主飞行。本文讨论了一种简单的基于 GPS 的四轴无人飞行器自主导航系统的实现，以应用当今越发兴起的物流行业的货品运输领域。1
15、.2 国内外四轴飞行器自主导航系统发展现状四旋翼飞行器的发展经历了两个阶段。第一阶段是在 20 世纪初,1907 年法国科学家Charles Richet 制造了一架小型的无人机,虽然不是很成功,但是他的学生 Louis Brguest在其的指导下幵发了第一架载人四旋翼飞行器,其后来又研发出了的第二架原型机。两架原型机都是由飞行员直接控制四个螺旋桨转速,由于操控过于复杂,进行的飞行试验都不是很成功。在 1921 年,George de Bothezat 为美国陆军航空勤务部(United StatesArmy Air)研发了一架实验性四旋翼飞行器,但是该项目仅仅进行了四年就由于机构过于复杂、控
16、制困难而取消了。1924 年出现了世界上第一架能够完成超过一千米距离飞行的四旋翼飞行器Oemidien。1957 年,美国克莱斯勒汽车公司应美国陆军要求为其研发了 VZ-7 飞行器,促是由于控制过于复杂,美国陆军对这一项目渐渐失去了兴趣,使得这个项目也最终搁浅,至此四旋翼飞行器的发展陷入了低谷。第二阶段从 21 世纪初开始至今。进入 21 世纪以来,低功耗微处理器的处理能力越来越强,微机电系统(MEMS)技术的发展使得捷联式惯性导航系统越来越小,成本越来越低。随着直流 111 机技术的发展,出现了许多体枳小转速高转矩大的直流电机,锂电池技术的发展使得钮!电池储能密度加大同时放电电流也变大,这就
17、使锂电池对大功率直流屯动机的驱动成为可能。这些技术的发展使得以直流电机作为动力源的微小型飞行器进入了一个新的发展阶段。四旋翼飞行器目前的研究主要有在高校科研机构、国际开源项目和科技公司的商业开发。高校的四旋翼科研项目主要有:瑞士桑联邦理工学院(EPFL)的 OS4 和 OS4II，麻省理工学院(MIT)计算机科学和人工智能实验室(ACL)的 Quadrocopter,宾西法尼亚大学的 HMX4 和佐治亚理工大学的 CTMARS,斯坦福大学的 Mesicopter。开源项目主要有:德国 MikroKopter项目,megapirate,arducopter, multiwii。比较成熟的商业四旋
18、翼飞行器有:美国Draganflyer 公司研制的 Draganflyer 系列,德国 Microdrones 公司的 MD4-200,德国AscTec 公司的 Pelican 与 Hummingbird 系列 4。此外，更加贴近普通人的是亚马逊在网站介绍了一个还在亚马逊下一代 R工作电压：+3.3 至+5v ；功耗：跟踪模式 3.3v 电压下小于 35mA；更新接收：每秒钟(1pps)；外形体积尺寸：25.4*25.4*3mm；重量：3g；图 3-2 GPS模块实物3.3.2 GPS 卫星信号GPS 卫星发射的导航电文是通过两个载波频 L1 为 1575.42MHz，L2 为 1227MHz
19、 向地面发射带宽 F=50Hz，传递速率是 50bit/s 的基带信号，即一组不归零制二进制编码脉冲 D(t)。采用了伪码扩频技术将基带信号的频带从 50hz 扩展到 10.23MHz 以将这种低码率的导航文有效地发送给用户。采用正交方式调制，在载波 L1 上调制了两种码(P 码和 C/A 码)，而在载波 L2 上只调制了一种伪码(P 码)。总之，GPS 卫星发射的信号是电文 D(t)经过两级调制后的信号。第一级是将 D(t)，码调制C/A 码和 P 码，实现对 D(t)的伪随机码扩频。第二级是将它们的组合码分别调制在 L1 和L2 载波频率上。3.3.3 GPS 定位误差在我们利用 GPS
20、进行卫星定位和导航的时候，会受到很多干扰。这些影响 GPS 定位精度的因素可分为以下四大类：(1) SA 误差是影响 GPS 定位误差的最主要因素。 SA 干扰误差是美国国防部为之国家安全而防止非特许用户利用 GPS 进行高精度定点点定位而采用的降低 GPS 系统精度的一系列政策，简称为 SA 政策，它包括降低广播星历精度和在卫星基本频率上附加一随机抖动使钟的频率产生快慢变化，导致测距精度大卫降低。虽然美国在 2000 年取消了 SA，但是战时或必要时，美国可能会恢复或采取类似的卫星定位精度干扰技术。(2) 星历误差是 GPS 测量误差的重要来源，卫星星历误差卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星
21、空间位置与卫星实际位置间的偏差。又可以称为卫星的轨道误差，因为它是由于卫星的空间三维位置是通过地面的监控系统接收卫星测轨数据来计算得出的。它是一种起始的数据误差，其误差大小由观测值卫星跟踪站数量、空间分布的数量以及精度、轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等决定。(3) 相对论效应导致于卫星钟和接收机所处的运动速度和重力位不同，从而引起的接收机钟与卫星钟之间产生相对误差。(4) 卫星钟差卫星钟差是指 GPS 标准时间与 GPS 卫星时钟的差别。为了保证卫星时钟精度，GPS 卫星均采用高精度原子钟，但误差总是存在的，它们和 GPS 标准时之间的偏差和漂移和漂移总量在 1ms0.1ms 以
22、内，由此引起的等效误差将达到 300km30km。3.4 LCD 显示模块介绍LCD11264 是一种图形点阵液晶串口显示屏，点阵数 112*64，可以显示 4*7 行 16*16 的汉字。主要技术参数和性能：(1) 电源：+5V(2) 显示内容：112(列)X 64(行)点；(3) 全屏幕点阵；(4) 工作温度：-10至+60，存储温度：-20至+70 。图 3-3屏幕机械图LCD 显示屏引脚介绍：图 3-4 LCD引脚图从左到右为 LCD 的 1 到 8 脚：1 脚 GND 为接地2 脚 VCC 接工作电压3 脚 CS 为片选端4 脚 A0 为地址选择，接低电平为写命令，接高电平为写数据5 脚 SCLK 为时钟信号线6 脚 SI 为数据线7 脚 RST 为复位端8 脚 BL_SW 为背光灯3.5 键盘模块设计 2 个按键，直接采用 I/O 口控制，采用软件去消除抖动的影响，如图 3-5 所示。图 3-5 按键电路图3.6 串口模块AVR 输出的是 TTL 电平，而 RS-232C 采用的是负逻辑“0”：+5V+15V；逻辑“1”：-5V-15V，若直接与 TTL 电平相连，将会烧坏 TTL 电路。为了匹配 AVR 的 TTL 电平和GPS 模块的 RS-232C 标准接口，采用 MAX232 进行电平转换，如下图所示：图 3-6串口硬件图4.软件设计
