多旋翼自主飞行器论文Word文档格式.docx
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P;
e(t)
SP
–
y(t)
SP——设定值
e(t)——误差值
y(t)——反馈值
U(t)——输出值
P——比例系数
滞后性不是很大的控制对象使用比例控制方式就可以满足控制要求,但很多被控对象中因为有滞后性,所以需要加入I或D的控制。
1.6.2比例积分控制(PI):
积分的存在是针对比例控制要不就是有差值要不就是振荡的这种特点提出的改进,它常与比例一块进行控制,也就是PI控制。
其公式有很多种,但大多差别不大,标准公式如下:
=
×
+
∑e(t)
+
U(t)——输出
——比例放大系数
——积分放大系数
e(t)—
—误差
——控制量基准值(基础偏差)
积分项是一个历史误差的累积值,如果光用比例控制时,我们知道要不就是达不到设定值要不就是振荡,在使用了积分项后就可以解决达不到设定值的静态误差问题,比方说一个控制中使用了PI控制后,如果存在静态误差,输出始终达不到设定值,这时积分项的误差累积值会越来越大,这个累积值乘上
后会在输出的比重中越占越多,使输出U(t)越来越大,最终达到消除静态误差的目的。
1.6.3PID控制:
因为PI系统中的I的存在会使整个控制系统的响应速度受到影响,为了解决这个问题,我们在控制中增加了D微分项,微分项主要用来解决系统的响应速度问题,D用来控制将来,计算误差的一阶导,并和一个负常数D相乘,最后和预定值相加。
这个导数的控制会对系统的改变作出反应。
导数的结果越大,那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。
这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。
D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。
其完整的公式如下:
u(t)
[e(t)
e(t-1)]+
图1.6.3为PID控制整体原理图,描述了一般的PID算法流程。
图1.6.3PID控制整体原理图
二、核心部件电路设计
2.1电源模块电路原理图
图2.1电源模块电路
12V2200mAh电池供电,经电路降压后,为飞行器以及各模块供电。
2.2电子示高装置电路原理图
图2.2激光接收电路
电子示高装置使用一对激光收发管,来实现,声光报警。
发射管上电即可产生激光,接收管部分电路如图3.2.2所示,当没有接收到激光信号时,蜂鸣器发光,LED灯点亮。
图中三极管的使用是为了扩流,提高蜂鸣器的报警声。
三、竞赛工作环境条件
3.1系统总体框图
系统总体框图如图3.5所示:
图3.1系统总体框图
Stm32F103单片机作为飞控板,接收核心控制板RL78/G13的控制信号,进行飞行器的飞行姿态的控制。
瑞萨RL78/G13板作为核心板控制循迹摄像头模块,定高超声波模块,拾物继电器模块,以及屏幕,按键等外部控制输入。
航拍摄像头为带SD卡存储,AV输出的专用摄像头。
US-100超声波模块:
自带温度传感器,对测距结果进行检验,同时具有串口通信方式,工作稳定可靠。
OV7620摄像头模块:
设置图像窗口大小为200×
100像素,计算速度为每秒10—15帧,图像清晰稳定。
继电器模块:
接收核心板的控制信号,控制电磁铁的开关,实现取物,放物。
按键以及屏幕模块可在外部给入数据进行参数设置,选择飞行模式等,实现一键式起飞。
3.2软件程序设计
3.2.1定高、循迹PID控制程序设计
图3.3.1a摄像头循迹控制程序流程图图3.3.1b超声波定高控制程序流程图
图3.3.1和图3.3.2描述了飞行器主要的两个PID控制的程序流程,该程序用于控制飞行器的飞行方向,和高度,在每个小题中都是使用了类似算法,是飞行器的核心程序。
3.2.2拾物控制程序设计
图3.3.2飞行器拾物控制流程图
图3.3.2是发挥部分第二小题拾取小铁片的程序流程图,用较简单的方法进行识别和取物,效果比较理想。
四、作品成效总结分析
4.1基本要求一
测试方式:
从A点一键式起飞,飞至B点降落,尝试不同高度,分析实验结果
测试结果:
测试次数
飞行高度(cm)
飞行时间(s)
落地点误差(cm)
1
60
20
12
2
70
16
15
3
80
22
5
结果分析:
不同的飞行高度对飞机循迹前进的影响不大,落地点误差也在允许范围内,实验结果比较理想。
4.2基本要求二
从A点一键式起飞,绕外围黑线逆时针绕行一周,会至A点降落,尝试不同高度,分析实验结果
40
30
65
46
45
44
飞行过程中,有时会受到干扰,误判飞行路线,但能按程序循迹飞行,基本完成题目要求。
4.3发挥部分一
从A点一键式起飞,吸起小铁片
,飞至B点,投放小铁片,并返回A点,尝试不同高度,不同质量,分析实验结果。
拾物重量(g)
激光
,
间距(cm)
26
10
200
20(触线)
25
27(不触线)
90
29
18
飞行效果受飞行高度以及飞行时间影响不大,但飞行器投放铁片后状态会有一定变化,导致回来的状态有一定波动,但总体效果还是比较理想。
另外由于机身本身高度的限制(机身高20cm),
的间距有一下限,实验所测27cm时,能正常通过。
4.4发挥部分二
从A点一键式起飞,飞至B点,寻找小铁片
,并返回A点,尝试不同高度分析实验结果。
是否捡到铁片
28
是
否
27
由于使用的电磁铁吸力较小,且大小很小(直径2cm的圆)所以只有当电磁铁落在铁片正中心的时候才能吸起铁片,所以有时即使找到铁片,也会吸不起来,但总体而言,基本能达到题目要求。
4.5系统特色
本系统完成了题目中的基本要求,并完成了发挥部分的要求,此外,还增加了自制激光、蜂鸣器等模块。
整个系统的构建来源于软硬件的合理架构,最大的亮点是最大程度地利用了瑞萨单片机的资源,使得四旋翼的结构轻巧,既符合题目要求,又易于控制。
五、附件材料
5.1作品照片
图5.1作品照片
5.2PID核心控制代码
voidFilter(unsignedintset_hight)
{
staticfloathight_error=0,hight_errorold=0;
staticfloatAlt_Hight[3];
RcvIndex=0;
g_Hight=US_distance_mm;
if(g_Hight>
3000||g_Hight<
50)
g_Hight=g_HightOld;
else
g_HightOld=g_Hight;
Alt_Hight[2]=Alt_Hight[1];
Alt_Hight[1]=Alt_Hight[0];
Alt_Hight[0]=(float)g_Hight;
//×
((float)cos(AngE.Roll/RtA)×
(float)cos(AngE.Pitch/RtA));
g_Alt_HightOld=g_Alt_Hight;
g_Alt_Hight=Alt_Hight[0];
if(flag.ARMED==0)
hight_increment=0;
hight_errorold=hight_error;
hight_error=set_hight-g_Alt_Hight;
if(hight_error>
200)
hight_error=200;
if(hight_error<
-200)
hight_error=-200;
hight_increment+=hight_error;
g_HightControlold=g_HightControl;
g_HightControl=g_hight_Kp×
hight_error+g_hight_Ki×
hight_increment+g_hight_Kd×
(hight_error-hight_errorold);
if(g_HightControl-g_HightControlold>
50)
g_HightControl=g_HightControlold+50;
elseif(g_HightControlold-g_HightControl>
g_HightControl=g_HightControlold-50;
if(g_HightControl>
700)
g_HightControl=700;
elseif(g_HightControl<
0)
g_HightControl=0;
}
六、参考资料
[1]高吉祥,王晓鹏,宋克慧.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程[M].电子工业出版社,2011.2.
[2]吴乃陵,况迎辉.C++程序设计[M].北京:
高等教育出版社,2006.3.
[3]孙亮,杨鹏.自动控制原理.北京:
北京工业大学出版社,2012.8.
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