四旋翼飛行器多功能實驗平臺設(shè)計

馮玉昌,門 洪,史冬琳,白如冰

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院,吉林吉林 132012)

四旋翼飛行器多功能實驗平臺設(shè)計

馮玉昌,門 洪,史冬琳,白如冰

(東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院,吉林吉林 132012)

詳細(xì)介紹了四旋翼飛行器實驗平臺的設(shè)計以及在教學(xué)實踐過程中取得的成果。該平臺突出了模塊化設(shè)計,在一個平臺上實現(xiàn)了多種實驗內(nèi)容的自由組合與分解,極大豐富了實驗內(nèi)容,為學(xué)生鍛煉動手能力、驗證理論知識,提供了良好的平臺。

實驗平臺;四旋翼飛行器;模塊化設(shè)計;控制理論;MEMS傳感器

自動化專業(yè)具有多學(xué)科交叉、內(nèi)涵豐富、注重實踐的特點,實驗在自動化專業(yè)中起著關(guān)鍵作用[1]。但之前過于分散、獨立的實驗?zāi)Ｊ讲焕趯W(xué)生對于整個專業(yè)宏觀系統(tǒng)的了解,往往造成四年的大學(xué)學(xué)習(xí)過后,仍舊不了解自動化是干什么的。如何在實踐中讓學(xué)生系統(tǒng)地了解自動化專業(yè)成為自動化專業(yè)實驗面臨的重要課題[2]。

為加強對學(xué)生創(chuàng)新思維和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng),構(gòu)建先進的實驗平臺、營造良好的實驗環(huán)境是提高實驗教學(xué)質(zhì)量的重要支撐[3]。國內(nèi)各大高校近年來也不斷加強實驗平臺和實驗中心的建設(shè),文獻(xiàn)[4]指出實驗平臺的建設(shè)將成為未來實驗教學(xué)發(fā)展的新模式,文獻(xiàn)[5-7]提供了實驗教學(xué)平臺和實驗中心建設(shè)的經(jīng)驗。

四旋翼飛行器是當(dāng)今國內(nèi)外各大高校的研究熱點,屬于自動化專業(yè)的前沿領(lǐng)域。具有涉及方面多、研究內(nèi)容新、實用范圍廣等眾多特點,對于培養(yǎng)學(xué)生動手能力、驗證理論知識都是一個得天獨厚的實驗平臺。

1 四旋翼飛行器實驗平臺設(shè)計

1.1 實驗平臺整體結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器實驗平臺(以下簡稱平臺)主體為一架四旋翼飛行器,搭配了相應(yīng)的上位機軟件用來檢測傳感器、飛行器姿態(tài)等信息。在設(shè)計該平臺時,著重考慮了平臺的先進性、多用途和擴展性,使之既能滿足學(xué)生接觸新事物、學(xué)習(xí)新知識的要求,又能保證與之前教授的內(nèi)容不脫節(jié)。同時,采用了模塊化的設(shè)計思想[8],便于維護、添加以及日后的升級,也便于進行模塊化教學(xué),步步深入,達(dá)到由局部到整體,既可以有所側(cè)重,又可以系統(tǒng)學(xué)習(xí)。這也為平臺的多用途性奠定了基礎(chǔ),使得該平臺實現(xiàn)多層次、多學(xué)科的覆蓋,可以為自動化專業(yè)所涉及的大部分主干課程提供實驗支持。平臺的整體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 主要硬件構(gòu)成

圖1 四旋翼實驗平臺

四旋翼飛行器主要由主控芯片、慣性導(dǎo)航模塊(INS)、無線通信模塊、攝像頭模塊以及由無刷電機、無刷電調(diào)組成的動力系統(tǒng)。硬件框圖見圖2。

圖2 四旋翼飛行器的硬件構(gòu)成框圖

(1)主控芯片。采用意法公司的STM32系列的STM32F103RBT6單片機。同時還為平臺配備了對應(yīng)的最小系統(tǒng)板、開發(fā)板。STM32f103系列單片機可以運行在72 MHz下,可以滿足系統(tǒng)的要求。同時作為一款入門級的32位單片機,可以作為學(xué)生從所學(xué)的8位51系列單片機逐漸過渡到嵌入式系統(tǒng)的橋梁,也可以作為單片機原理與應(yīng)用課程的擴展實驗,也是培養(yǎng)創(chuàng)新實驗室成員使用高性能單片機能力的良好平臺。

(2)慣性導(dǎo)航模塊。由MPU6050和HMC5883L構(gòu)成,用來采集機體加速度、角速度以及地磁信號。這兩款芯片都屬于MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器。MPU6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速器,包含16位精度AD轉(zhuǎn)換器,采用IIC接口。HMC5883L包括先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器,可以測量地球磁場的方向和大小。MEMS傳感器是當(dāng)今研究的一個熱點[9],在軍事、民用領(lǐng)域有著越來越廣泛的使用,對它的了解和使用,開拓了學(xué)生的視野。以此為基礎(chǔ),設(shè)計了姿態(tài)測量模塊,也可以作為傳感器、過程檢測儀表與技術(shù)等課程的新實驗內(nèi)容。

(3)無線通信模塊。采用基于Openwrt的迷你無線路由器。路由器作為一套Linux系統(tǒng),負(fù)責(zé)完成圖像采集,并完成上位機(PC機)和單片機直接的通信。還提供了2.4 GB模塊、藍(lán)牙、無線串口模塊等作為選擇。提供了豐富的無線通信途徑,可以深入廣泛地了解、掌握無線通信。

(4)攝像模塊。配合無線通信模塊,可以搭建無線圖像傳輸系統(tǒng),配合上位機實現(xiàn)機器視覺、圖像識別等實驗內(nèi)容。

1.3 軟件開發(fā)環(huán)境

平臺提供了固定的通信協(xié)議和通信接口,學(xué)生可以使用Lab View、C/C＋＋、Matlab等語言環(huán)境編寫上位機軟件,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及后期的數(shù)據(jù)處理。下位機則采用Keil MDK編譯環(huán)境,編寫飛行器的控制、通信、傳感器采集等程序。

姿態(tài)導(dǎo)航算法使用了基于歐拉角的姿態(tài)表示方法以及姿態(tài)矩陣的更新。還可以使用四元數(shù)法、旋轉(zhuǎn)矢量法等其他算法。同時對傳感器的數(shù)據(jù)進行濾波、數(shù)據(jù)融合等相關(guān)處理。在開發(fā)過程中,對3個機體軸分別建立了線性的系統(tǒng)方程,使得普通的卡爾曼濾波適用,大大減少了運算量,還滿足基本的動態(tài)響應(yīng)要求。姿態(tài)測量仿真結(jié)果如圖3所示。

為飛行器姿態(tài)以及位置的控制提供了底層傳感器的數(shù)據(jù)接口,可以通過上位機來控制,也可以在單片機中直接實現(xiàn)控制算法,因而是驗證各種先進控制算法的平臺,很好地實踐了控制理論?？梢猿浞秩诤献詣踊嚓P(guān)課程,如自動控制理論、計算機控制系統(tǒng)、先進控制專題、過程檢測技術(shù)與儀表、傳感器、C語言、單片機原理與應(yīng)用等課程?？刂菩Ч€如圖4和圖5所示。

2 平臺調(diào)試

圖3 姿態(tài)測量仿真結(jié)果

平臺設(shè)計完成后,進行了各部分的聯(lián)調(diào),進行了各種環(huán)境下的可靠性和安全性測試。將過程中發(fā)現(xiàn)的螺旋槳誤動作等危險因素做了處理,避免在實驗中發(fā)生危險。設(shè)置了多重開關(guān),避免誤操作造成危險,同時在程序中設(shè)置了多個保護。最后進行了整機的調(diào)試,測試了串級PID控制器以及無線通信的效果和可靠性。測試表明,該平臺基本滿足控制要求和可靠性要求,可以作為實驗平臺提供給學(xué)生使用。除此之外,經(jīng)過測試,平臺還具有較大的空余負(fù)載能力,為日后升級設(shè)備、加裝設(shè)備都提供了空間,有很好的擴展性。預(yù)留出了足夠的I/O口,可以安裝GPS等傳感器,實現(xiàn)多樣的導(dǎo)航方案,或者掛載航拍設(shè)備,使其具有實用價值。

圖4 無擾動作用下的俯仰角及橫滾角曲線

圖5 有擾動作用下的俯仰角及控制器輸出曲線

3 實踐探索

自平臺搭建1年來,平臺使用狀況良好,多門課程依托本平臺開展了實踐項目訓(xùn)練,實驗項目見表1。

表1 相關(guān)課程實驗訓(xùn)練

圖6 STM32最小系統(tǒng)

在以上實驗中,分別使用了該平臺不同的模塊,供不同課程、不同年級和層次的學(xué)生使用,使各模塊得到了充分利用,成為了開展課外活動的良好平臺[10]。以此為基礎(chǔ),實驗室成員還搭建了內(nèi)容豐富的測控系統(tǒng),如無線數(shù)傳、姿態(tài)測量、電機控制、角度控制等。該平臺極大豐富了實驗內(nèi)容和課外活動內(nèi)容。部分學(xué)生自主開發(fā)的STM32最小系統(tǒng)和姿態(tài)測量系統(tǒng)分別見圖6和圖7。引力,能使學(xué)生從被動應(yīng)付實驗變成主動實驗,不僅提高了基本操作技能,也發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性[12]。學(xué)生在校內(nèi)外的多個競賽中取得優(yōu)異成績。獲得全國大學(xué)生電子競賽二等獎1項,獲得吉林省電子設(shè)計大賽一等獎2項,獲得吉林省電子設(shè)計大賽二等獎1項、三等獎2項;獲得校級電子設(shè)計大賽多項1等獎。通過該實驗平臺的實驗訓(xùn)練,使得學(xué)生逐步形成了對自動化系統(tǒng)的認(rèn)識,初步具備了自動化系統(tǒng)整體設(shè)計的能力,與理論的學(xué)習(xí)相得益彰。該實驗平臺的構(gòu)建也培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的實驗指導(dǎo)教師,為實驗室以及院系的長期發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

圖7 姿態(tài)測量系統(tǒng)

該平臺也可以作為完整的飛行器,為知識體系較完善的高年級學(xué)生利用,為日后繼續(xù)深造開展前期研究[11]。同時,也為開展相關(guān)的科研研究、理論實踐,培養(yǎng)具有相關(guān)實踐能力的專業(yè)人才,提供了實物平臺。該平臺同時還承擔(dān)了校級大學(xué)生“綜合性、設(shè)計性、研究性、自主開放型”實驗項目,以及吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃等實踐項目。

實踐表明,該平臺充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計的優(yōu)點。在單一平臺上實現(xiàn)了眾多功能以及進行眾多實驗項目訓(xùn)練,并取得了明顯的實踐效果,同時培養(yǎng)了創(chuàng)新實驗室成員的實踐和創(chuàng)新能力。學(xué)院設(shè)有創(chuàng)新實驗基地,為學(xué)生進行創(chuàng)新型實驗提供了良好的工作環(huán)境。綜合創(chuàng)新型實驗雖然有一定難度和深度,但對學(xué)生很有吸

如今實驗設(shè)備的平臺化已經(jīng)逐步成為趨勢,平臺化可以充分利用實驗場地,提高資金的利用率,最大程度利用設(shè)備,服務(wù)教學(xué)活動,提升學(xué)生的綜合實踐素質(zhì)。同時實驗平臺也應(yīng)當(dāng)保持對本領(lǐng)域最新成果的跟蹤,達(dá)到開拓學(xué)生視野的目的。本平臺的研究內(nèi)容新穎,而且具有很大的擴展空間。在未來很長一段時間,該平臺都可以滿足對學(xué)生培養(yǎng)以及科研的需要。

References)

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Design of a four-rotor multi-function experimental platform

Feng Yuchang,Men Hong,Shi Donglin,Bai Rubing
(School of Automation Engineering,Northeast Danli University,Jilin 132012,China)

In the teaching of automation,practice plays an important role,and the experiment is a top priority.Fully functional experimental platform becomes an important part of laboratory construction.This paper introduces the design and construction of the four-rotor aircraft platform,and the results achieved in the process of teaching practice in detail.The highlight of this platform is the modular design.Students canmake a variety of experiment on this platform,which can greatly enrich the experimental variety and content,and provide a good platform for the students to improve their practical ability and practice the theoretical know ledge.

experimental platform;four rotor aircraft;modular design;control theory;MEMS sensor

G484;V279

A

1002-4956(2015)4-0098-04

2014-08-30修改日期：2014-09-24

吉林省教育廳高等教育教改項目;東北電力大學(xué)校級教改項目

馮玉昌(1977—),男,黑龍江鶴崗,碩士,講師,主要研究方向為非線性預(yù)測控制、先進控制在熱工過程中的應(yīng)用.

E-mail:fengyuchang_fyc＠163.com