设计者：张梦凡，王帅挺，张帅
指导教师：陈志旺
（燕山大学电气工程学院）
作品内容简介
本课题初步研究和设计四旋翼飞行器飞行控制系统，并实现飞行试验。四旋翼飞行器具有四个定螺距螺旋桨，可以通过协调各个旋翼的速度来控制飞行器的飞行姿态和飞行速度，而不需要繁杂的桨矩控制部件，而且也可以共享电池、控制电路板等，因此简化了结构，减轻了飞行器重量，可以减少能源消耗，具有较高的研究和应用价值，可用于侦察监视、通信中继及太空探测等。 本文围绕四旋翼飞行器进行了初步的研究和设计。首先，介绍了目前国内外对四旋翼飞行器的发展状况和本课题的研究内容；其次对四旋翼飞行器空气动力学的数学模型做了初步探讨， 分析了卡尔曼滤波器，神经网络 PID控制，并尝试了把这些算法应用的四旋翼飞行器的控制上；接着对整个飞行算法做了深入的试验，包括控制算法的计算机仿真，控制系统软件设计、硬件设计及实际飞行试验，最后对本项目做了简要的总结。 本飞行器采用 AVR32 处理器进行控制，采用 C 语言编程。整个控制系统包括主处理器单元、惯性测量单元、绝对位置检测单元、通信单元和电源模块。 惯性测量单元和绝对位置检测单元为整个系统提供飞行器当前姿态和角速率信号，构成飞行器的增稳系统。本控制系统的实现为进一步研究四旋翼飞行器，实现自主控制奠定了基础。
一、设计方案
本课题首先将完成飞行器的结构的设计与制作。飞行器主要由四部分组成：驱动部件、机翼、中心部件和机用设备。驱动部件为新西达无刷直流电动机。机翼（旋翼）由四片三叶桨组成，它通过中心部件与无刷直流电动机相连。
其次将基于模块化设计思想，设计和实现四旋翼电动飞行器的飞行控制系统，主要包括了微处理器飞行控制系统、旋翼伺服控制子系统、传感器检测子系统、无线通信子系统及上位机显示子系统。
然后，对传感器检测回的数据进行整合处理，根据飞行器的自身特点，建立飞行模型。同时，将基于神经网络与自适应控制理论研究飞行器的姿态控制，表达出飞行器的空间状态矢量，完成对飞行器的姿态控制。
最后，将飞行器与上位机进行无线通信，将飞行器的状态参数与数据实时地反馈回来，在上位机上监测飞行器的运动状态，同时，也可以通过上位机调整设置飞行器的运动参数，对飞行器进行控制。
二、项目研究内容简介
1. 四旋翼飞行器数学模型的建立
四旋翼飞行仿真器具有极为复杂的动力学特性和特殊的飞行姿态，其动力学特性随着飞行姿态而发生相应的变化，具有非线性，多变量耦合的特点。本课题利用牛顿定律，刚体运动的欧拉公式和旋翼本身的空气动力学特性建立了飞行器的非线性数学模型。
2. 整合传感器数据进行状态变量的估计
传感器是无人飞行器必不可少的部分，由于飞行器运动的空间特性，本项目采用3个陀螺仪和1个三轴加速度传感器作为主要的飞行惯性反馈传感器，利用卡尔曼滤波技术，把传感器数据进行融合，得到了某一时刻的最佳输出的估计值。
3. 自主飞行控制算法的设计
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四旋翼微型飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行，但是，四旋翼直升机只有4个输入量，同时却有6个输出量，所以它又是一种欠驱动系统。本项目对系统解耦合成俯仰，横滚和偏航三个轴的动作，分别对做了三个RBF神经网络整定的PID控制，达到了让飞行器稳定飞行的目的。
4、基础控制模块的软硬件调试方面，1号工程样机的机载处理器主要由一片ATmega644和4片ATmega8组成。
ATmega644主要负责3个ENC-03陀螺仪和一个MMA7260QT三轴加速度传感器数据的融合，解调遥控器命令以及跟随遥控器指令对3个欧拉角进行PID控制。软件方面对传感器数据融合的状态变量的估计是重点，处理器主要做了2项工作：即时融合，就是实时地根据加速度计的数值反推出陀螺仪积分应有的数值，然后根据当前的陀螺仪积分进行调整。长期融合，在代码里它用0.5秒的时间采集加速度计的数据，然后到0.5秒时对这些数据进行平均，依此来得到一个相对稳定的加速度计数值。根据这个数值来相对准确地知道飞行器这0.5秒的姿态，然后再修整调整量，做到自动稳定到平衡位置。ATmega8主要负责无刷电机的电子换向控制和接收ATmega644命令信号调节电机转速。
2号飞行器较1号样机有较大的提高，2号机的机载电路处理器主要由一片AT32UC3B0256、一片ATmega16、四片ATmega48组成。
其中AT32UC3B0256主要负责处理1片LISY300AL陀螺仪和2片ENC-03陀螺仪以及1片MMA7260QT三轴加速度传感器数据，分析ATmega16回传的绝对位置信息，智能地判断航线，通过CC1100无线模块向手持终端传送飞行状态等。ATmega16整合GPS信号，地磁罗盘数据和超声波高度信息，得到飞行器目前的航向、速度、绝对地理位置、飞行高度等
信息。ATmega48主要负责无刷电机的电子换向控制和接收AT32UC3B0256命令信号调节电机转速，同时反馈电机当前的电压，电流，转速等信息。飞行器与手持终端通过网络分配器CC1100进行数据通信，用以对飞行器运行状态的监测，包括无刷电机转速、三轴加速度、航向等参数。同时，手持终端配备的遥控杆和触摸屏可以对飞行器在人的操控下实现遥控飞行。
5、 无传感器无刷直流电动机的启动与调速控制
无刷直流电机BLDCM(Bmshless DC Motor)因具有快速、可控、高效率、高可靠性和体积小等优点，已经广泛应用于航模领域。本项目设计的无人机是一种高稳定度能自主飞行的无人机，这就要求电机能够在控制器的调节写稳定、准确、快速的达到指定的转速。
三、项目完成情况：
(1) 通过卡尔曼滤波算法实现了对飞行器当前飞行状态的较为准确的估计。
(2) 比较研究了标准PID算法和RBF神经网络整定的玻璃助剂PID算法在四旋翼飞行器控制上的差异，确定以RBF神经网络整定的PID算法为四旋翼飞行器的控制算法。
涂锡焊带>装载机称重系统
(3) 对多种通信技术的研究。课题中，应用到了SPI通信、I2C通信、433MHz无线通信、RS-232通信，在论文中，分别对上述通信方式作了较为详细的研究，同时进行了软硬件的调试。特别是CC1100的无线通信，取得了一定的成果，为以后的研发提供了经验。
(4) 开发了一套基于ATmega48单片机的无位置传感器无刷直流电动机的嵌入式控制系统，对整个硬件电路进行了设计并编写了整套的控制软件。
(5) 对电机及其控制系统进行空转、带桨以及逐步加载等实验，整套系统运行稳定可靠，性能良好，调试方便，为整个四旋翼飞行器的研究工作提供了基础和参考。
(6) .通信控制系统的软硬件设计。在系统中，多个通信子系统都遵循结合实际制定的通信协议，在通信调试中对协议进行了验证。软件开发方面，使用Visual Studio 2010进行了界面开发，实现了最基本的RS-232串行通信。通信系统中以LM3S1138为核心进行的程序设计，对LM3S1138的功能资源有了一个新的认识，根据控制要求完成了相应的功能。
(7) 完成了四旋翼飞行器机械主体部分的制作，设计并制作了飞行控制电路板。
(8）完成了算法移植，并经行了系统整体的软硬件调试，达到了预期的目的。
5 项目研究创新点与特
(1)、基于AVR32的硬件设计。硬件电路方面我们采用多嵌入式处理器总线的形式，一块AT32UC3B0256负责处理飞行平衡计算，四块单片机在AVR32的控制下分别对四个无刷电机进行调速控制，这样的硬件设计同国内外其它类似作品相比有着更强的计算能力，更快的反应速度，更好的调控性能。
(2)、系统建模。四旋翼飞行仿真器具有极为复杂的动力学特性和特殊的飞行姿态，其动力学特性随着飞行姿态而发生相应的变化，具有非线性，多变量耦合的特点。因为它的复杂性，在忽略弹性振动及变形的情况下，工程中所使用的直升机模型都是经过不同程度简化处理的，导致模型建立不精确。研究出适合控制的数学模型是该项目创新点之一。
(3)、控制器设计。软件算法方面我们采用卡尔曼滤波法进行状态变量的估计，卡尔曼滤波器的得到的状态变量是传感器估计的最优值，与国内外同类作品相比，其结果更接近真实值。利用RBF羽毛球发球机神经网络整定参数的PID控制让四旋翼飞行器做到了自适应飞行控制。
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