1、本科毕业论文（设计）题 目基于DSP的四旋翼无人飞行器设计 学 院 电XXXXXXXXX学院 专 业 通信工程 年 级 2011 级 学 号 XXXXXXXXXXXXXXX 姓 名 XXXXXXX 指 导 教 师 XX 成 绩 年 月 日 目 录摘要：1Abstract：1第一章 导论21.1四旋翼飞行器技术21.2四旋翼飞行器技术发展历史21.3四旋翼飞行器发展的现状31.4微小型四旋翼飞行器发展的关键技术31.4.1最优化总体设计31.4.2动力与能源31.4.3数学模型的建立41.4.4飞行控制41.5论文内容安排4第二章 四旋翼无人飞行器系统硬件设计62.1系统方案介绍62.2主要器件
2、介绍62.2.1 TMS320F28335介绍62.2.2 MPU6050介绍72.2.3 HMC5883L介绍72.2.4 BMP085介绍82.2.4 PTN78000W介绍92.2.5 WIFI模块92.3系统硬件概述102.4方案选择112.4.1方案设计112.4.1方案比较112.5硬件平台总体设计122.5.1电机控制电路122.5.2 MPU6050+ HMC5883九轴数据采集122.5.3 WIFI无线通信电路132.5.4电源电路13第三章 四旋翼无人飞行器系统软件设计153.1四旋翼飞行器系统飞控软件设计153.1.1四旋翼飞行器运动分析153.1.2四旋翼飞行器数学建
3、模153.1.3自主飞行控制算法的设计163.1.4程序流程图173.2基于Labview上位机软件设计173.2.1 Labview介绍173.2.2基于Labview上位机结构介绍18第四章 硬件电路制作和调试234.1 硬件电路的制作234.2 硬件调试244.3 软件调试244.3.1飞控软件调试244.3.1上位机软件调试24第5章 总结26参考文献：27致谢28序号不统一，右上方不要加。，序号和标题之间统一距离不统一基于DSP的四旋翼无人飞行器设计XXXXX大学电子信息工程学院，重庆 400715摘要：本文以四旋翼飞行器为研究对象，以TMS320F28335为核心，搭建飞行器硬件平
4、台，实现四旋翼飞器的姿态控制。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬件设计方法，包括传感器模块、无线通信模块和电机模块；采用基于RBF神经网络整定的PID控制策略，最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。 关键词：四旋翼飞行器；控制系统；DSPQuadrotor UAV Control System Based on DSPXXXX xxxxSchool of Electronic and Information Engineering, XXXXXX University, Chongqing 400715, ChinaAbstract：This dissertation fo
5、cuses the development of the control system of Quadrotor UAV using TMS320F28335, including the design of hardware platform of UAV and the development of attitude control. The overall structure of control system and hardware design methods, including sensor module, wireless communication module and t
6、he motor module, are introduced in detail. RBF neural network tuning PID control strategy was employed, and the designed UAV can vertically take off (or land), hover, carry load, and be controlled remotely. Key words: Quadrotor UAV; control system; DSP第一章 导论第一章与导论间空两格1.1四旋翼飞行器技术四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升
7、机，是由4 个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具1。 1.2四旋翼飞行器技术发展历史四旋翼飞行器的设计有两个阶段。在第一个阶段即20世纪初，法国科学家和院士CharlesRichet制造了一个小型无人直升机，虽然该机不是很成功，但是启发了他的一个学生LouisBrguet。1906年下半年，Louis和JacquesBr
8、guet在Richet教授的指导下做他们自行设计的直升机试验。1907年，Brguet兄弟制作了他们第一个载人四旋翼飞行器-Brguet-RichetGyroplaneNo.1，旋翼直径大约8.1米，载人时重约578千克。在法国Douai首次试飞，载人飞行高度1.5米。飞行员除了能控制发动机的油门来改变转子的转速外，无法进行任何操作，而且稳定性很差。然而，当时飞行器只是处于起步阶段，很显然Brguet兄弟在实现垂直飞行方面已取得了显著的成就。这一阶段设计出了载人四旋翼飞机，这是第一批成功的可垂直起降的飞行器。然而，早期的原型机表现欠佳，后来的原型机稳定性比较差，实用性和操控性低，所以载人四旋翼
9、飞行器的发展几乎停滞。第二个阶段即从21世纪初开始至现在，四旋翼飞行器的动力能源采用电动，逐渐被各国所接受，主要是无人机(UnmannedAerialVehicles，UAV)，广泛应用于军事、商业和工业领域。无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器：具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四旋翼飞行器作为旋翼无人机中的佼佼者具有其他飞行器难以比拟的优点：可垂直起降(VerticalTakeOffandLanding，VTOL)；执行精确缓慢的运动、悬停；拥有更大的载荷量和良好的操控性；能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞；尤其可以在多障
10、碍和狭小的空间穿越飞行。这些优势使四旋翼飞行器在执行搜救和侦察等任务方面游刃有余，决定了四旋翼飞行器具有更广阔的应用前景。四旋翼飞行器作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视，迅速成为国际上新的研究热点。MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200具有抗电磁干扰的能力。飞行时间不低于20分钟。MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变
11、得非常简单。可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落2。1.3四旋翼飞行器发展的现状四旋翼飞行器，也称四旋翼直升机或十字翼直升机，是由4个转子推动飞行的直升机。通过改变每个转子的相对速度改变推力，从而改变每个扭矩实现对方向和速度的控制。四旋翼飞行器发展了近一个世纪
12、，从原来机械时代直径十几米长、几米高的庞然大物，到当今电子时代直径几十厘米甚至更小的微型“碟形”飞行器。其实用性也从原来单纯的运载工具，发展为现在集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。目前世界上存在的四旋翼飞行器基本上属于微型无人飞行器，一般可以分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。目前，国内的四旋翼飞行器的发展还处于初级发展阶段，缺乏独自的核心技术，能应用于专业领域的相关产品未大批量生产。国外的四旋翼因拥有悠久的科学文化历史和研发团体机构，加快了多旋翼飞行器发展。欧美发达国家四旋翼飞行器已投入了商业、军事领域，获得了显著的效果3。1.4微小型四旋翼飞行器发
13、展的关键技术迄今为止，微小型四旋翼飞行器基础理论与实验研究已取得较大进展，但要真正走向成熟与实用，还面临着诸多关键技术的挑战。1.4.1最优化总体设计进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，需要遵循以下原则：重量轻、尺寸小、速度快、能耗和成本低。但这几项原则相互之间存在着制约与矛盾，例如：飞行器重量相同时，其尺寸与速度、能耗成反比。因此，进行微小型四旋翼飞行器总体设计时，首先要根据性能和价格选择合适的机构材料，尽可能地减轻飞行器重量；其次，需要综合考虑重量、尺寸、飞行速度和能耗等因素，确保实现总体设计的最优化。1.4.2动力与能源动力装置包括：旋翼、微型直流电机、减速箱、光电码盘和电机驱动模块，能量
14、由机载电池提供。微小型四旋翼飞行器的重量是影响其尺寸的主要因素，而动力与能源装置的重量在整个机体重量中占了很大比例。因此，研制更轻、更高效的动力与能源装置是进一步微小型化四旋翼飞行器的关键。另一方面，动力装置产生升力时，消耗了绝大部分机载能量。要提高飞行器的效率，关键在于提高动力装置的效率。除尽量提高机械传动效率外，还必须选择合适的电机与减速比在兼顾最大效率和最大输出功率两项指标的前提下将电机工作点配置在推荐运行区域内4。1.4.3数学模型的建立为实现对微小型四旋翼飞行器的有效控制，必须准确建立其在各种飞行状态下的数学模型。但是飞行过程中，它不仅同时受到多种物理效应的作用(空气动力、重力、陀螺
15、效应和旋翼惯量矩等)，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，很难建立有效、可靠的动力学模型。此外，所使用的旋翼尺寸小、质量轻、易变形，很难获得准确的气动性能参数，也将直接影响模型的准确性。建立四旋翼数学模型时，还必须深入研究和解决低雷诺数条件下旋翼空气动力学问题。微型飞行器空气动力学特性与常规飞行器有很大的不同，当前许多空气动力学理论和分析工具均不适用，需要发展新的理论和研究手段。1.4.4飞行控制微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度(位置与姿态)和4个控制输入(旋翼转速)的欠驱动系统，具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。此外，控制器性能还将受到模
16、型准确性和传感器精度的影响。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为微小型四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系(俯仰横滚直接引起机体向前后左右移动)，如果能精确控制飞行器姿态，则采用PID控制律就足以实现其位置与速度控制。国际相关研究都着重进行了姿态控制器的设计与验证，结果表明：尽管采用非线性控制律能够获得很好的仿真效果，但由于对模型准确性有很强的依赖，其实际控制效果反而不如PID。因此，研制既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的姿态控制器是微小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究的当务之急。本文的方案是以TMS320C28335为主控芯片，利用加速度计、惯性传感器和陀螺仪传感器形
17、成系统飞控硬件模块，通过PID（比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative）算法控制四旋翼进行控制操作；外加摄像头，湿度传感器等传感器作为功能模块实现信息采集；最后利用无线模块实现远距离全双工通信功能5。1.5论文内容安排本文以四旋翼无人飞行器系统为主体，分别从硬件和软件对整个设计方案详细介绍。具体的章节和各章的内容安排如下：第一章：介绍本论文的研究意义，在四旋翼无人飞行器技术的现状和特点的基础上，确定了本文所做的主要工作。 第二章：介绍了系统的硬件设计，确定了系统功能和设计方案，详细介绍了器件的选择和各模块电路。第三章：介绍了系统软件设计。 第四章：介
18、绍了系统调试所做的工作。 第五章：总结本设计取得的一些成果，并对课题发展进行了展望。第二章 四旋翼无人飞行器系统硬件设计2.1系统方案介绍本设计利用TMS320F28335强大的运算和控制能力，通过九轴姿态采集模块实现四旋翼飞行器飞行状态原始数据采样，再通过TMS320F28335进行加速度和角速度数据融合和卡尔曼滤波处理，实现四元数输出，得到姿态实时数据。每次数据采集和处理均放在定时器中处理，以实现精确、准时采集和处理。最后通过PID算法等数据处理实现飞控器的姿态控制用以达到四旋翼的悬浮等操作，设计中充分运用了TMS320F28335强大的浮点运算能力得以实现。2.2主要器件介绍2.2.1
19、TMS320F28335介绍TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮 点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出 (HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平
20、均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发， 缩短开发周期，降低开发成本。F28335在保持150MHz时钟速率不变的情况下，新型F28335浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高50%。与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多6。图2-1：TMS320F28335Figure 21：TMS320F283352.2.2 MPU6050介绍MPU-6000（6050）为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。1、感测范围：
21、MPU-6000（6050）的角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为2g、4g8g与16g。产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V 5%（MPU6000仅用VDD）。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有1%变动的振
22、荡器。2、应用：运动感测游戏 现实增强 电子稳像 (EIS: Electronic Image Stabilization) 光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization) 行人导航器 “零触控”手势用户接口 姿势快捷方式 认证3、市场：智能型手机 平板装置设备 手持型游戏产品 游戏机 3D遥控器 可携式导航设备4、特征：以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据。具有131LSBs/sec敏感度与全格感测范围为250、500、1000与2000/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)
23、。可程式控制，且程式控制范围为2g、4g、8g和16g的3轴加速器。 移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。运动处理数据库支持Android、Linux与Windows 内建之运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。以数位输出的温度传感器以数位输入的同步引脚(Sync pin)支援视频电子影相稳定技术与GPS可程式控制的中断(interrupt)支援姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、hi
24、gh-G中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。VDD供电电压为2.5V5%、3.0V5%、3.3V5%；VDDIO为1.8V 5% 陀螺仪运作电流：5mA，陀螺仪待命电流：5µA；加速器运作电流：350µA，加速器省电模式电流： 20µA10Hz 高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口(serial host interface) 内建频率产生器在所有温度范围(full temperature range)仅有1%频率变化。使用者亲自测试10,000g碰撞容忍度为可携式产品量身订作的最小最薄包装 (4x4x0.9mm Q
25、FN)符合RoHS及环境标准7。2.2.3 HMC5883L介绍霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在12的12位模数转换器。简易的I2C系列总线接口。HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统8。表2-1芯片参数说明：The table
26、2-1 shows the parameters of chip：磁场范围满量程（FS）-全部施加磁场（典型）-8+8高斯（gauss）磁场动态3-bit增量控制18高斯线性2.0高斯输入范围0.1%满量程解析时间VDD=3.0V,GN=25毫高斯启动时间I2C控制准备时间200us磁带2.0高斯输入准备时间25ppm纵向灵敏度测试条件：总想区域=0.5gauss，Happlied=3gauss2%FS/Gauss输出速率持续测量模式单一测量模式0.7575160HzHz开关时间I2C指令等待200us测量周期从接收指令到数据准备6ms增益公差所有增益/动态范围设置5%I2C地址7bit地址8
27、bit读取地址8bit写入地址0x1E0x3D0x3ChexhexhexI2C率由I2C主机控制400kHzI2C滞后性施密特触发器脉冲输入在SCL和SDA上的滞后性-下降（VDDIO=1.8V）上升（VDDIO=1.8V）0.2*VDDIO0.8*VDDIOVV自测试X&Y轴Z轴1.161.08VVX&Y轴（CN=100）Z轴(GN=100)510LSb2.2.4 BMP085介绍BMP085作为新一代高精度气压传感器与SMD500的功能和引脚是完全兼容的。通用的SMD500/BMP085C代码(BMP085-SMD500-API)与SMD500也是兼容的，但是要注意器件ID。正在使用SMD
28、500气压传感器的用户如果打算使用BMP085气压传感器并得到第一手资料，请尽快联系BOSCH公司。BMP085的低功耗、低电压的电学特性使它可以很好的适用于手机、PDA、GPS导航器件以及户外装备上。BMP085在低的高度噪声（merely0.25）快速转换的情况下，表现很好。BMP085是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、高精度、线性性以及稳定性。Bosch公司的气压传感器（在自动控制应用领域）是世界市场上的领军，基于200百万气压传感器这制造经验，BMP085继续了新一代的微型气压传感器8。关键特性：1、压力范围：3001100hpa（+9000m-500m海拔高度）；2、电压范
29、围：1.8V3.6V（VDDA），1.623.6V（VDDD）；3、封装大小：长宽5*5mm高1.2mm；4、Lowpower、Lownoise；5、内含温度测量-I2C接口；6、全标准（内含标准数据校准）；7、MSL12.2.4 PTN78000W介绍PTN78000是一系列的高效率，降压集成开关稳压器（ISR），在系列产品中受欢迎的78ST100第三代演变。新的设计考虑了78ST100，PT78ST100，PT5100，和PT6100系列单列直插引脚（SIP）的产品。PTN78000是比它的之前系列产品更小更轻，并具有类似的或改进的电气性能特点。在要求体积小的情况下，双面封装，也具有更好的
30、热性能，符合RoHS和无铅。运作在宽输入电压范围，提供了高效的PTN78000，设置使用一个外部电阻器降压电压转换为高达1.5A的输出电压的负载。PTN78000w可设置范围内的任何值2.5V至12.6V，和从11.85 V到22V的输出电压的PTN78000w的PTN78000h可低至2V低于输入，允许工作到7V，在5V的输出电压的ptn78000h输出电压可低至3V低于输入，允许运行到15V，12V的输出电压。PTN78000具有欠压锁定和积分/关闭抑制。该模块是适用于各种各样的通用应用程序，用12V，24V，或28V电压供电9。图2-2：PTN7800wFigure 22：PTN7800w2.2.5 WIFI模块USR-WIFI232-T超低功耗嵌入式WIFI模组提供了一种将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，并提供UART串口
