四旋翼飛行器多功能實驗平臺設計

馮玉昌,門 洪,史冬琳,白如冰

(東北電力大學自動化工程學院,吉林吉林 132012)

四旋翼飛行器多功能實驗平臺設計

馮玉昌,門 洪,史冬琳,白如冰

(東北電力大學自動化工程學院,吉林吉林 132012)

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

實驗平臺;四旋翼飛行器;模塊化設計;控制理論;MEMS傳感器

自動化專業(yè)具有多學科交叉、內涵豐富、注重實踐的特點,實驗在自動化專業(yè)中起著關鍵作用[1]。但之前過于分散、獨立的實驗模式不利于學生對于整個專業(yè)宏觀系統(tǒng)的了解,往往造成四年的大學學習過后,仍舊不了解自動化是干什么的。如何在實踐中讓學生系統(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]。

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

四旋翼飛行器是當今國內外各大高校的研究熱點,屬于自動化專業(yè)的前沿領域。具有涉及方面多、研究內容新、實用范圍廣等眾多特點,對于培養(yǎng)學生動手能力、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計

1.1 實驗平臺整體結構

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,搭配了相應的上位機軟件用來檢測傳感器、飛行器姿態(tài)等信息。在設計該平臺時,著重考慮了平臺的先進性、多用途和擴展性,使之既能滿足學生接觸新事物、學習新知識的要求,又能保證與之前教授的內容不脫節(jié)。同時,采用了模塊化的設計思想[8],便于維護、添加以及日后的升級,也便于進行模塊化教學,步步深入,達到由局部到整體,既可以有所側重,又可以系統(tǒng)學習。這也為平臺的多用途性奠定了基礎,使得該平臺實現多層次、多學科的覆蓋,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。平臺的整體結構見圖1。

1.2 主要硬件構成

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,可以作為學生從所學的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)慣性導航模塊。由MPU6050和HMC5883L構成,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傳感器是當今研究的一個熱點[9],在軍事、民用領域有著越來越廣泛的使用,對它的了解和使用,開拓了學生的視野。以此為基礎,設計了姿態(tài)測量模塊,也可以作為傳感器、過程檢測儀表與技術等課程的新實驗內容。

(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),負責完成圖像采集,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),配合上位機實現機器視覺、圖像識別等實驗內容。

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,以實現數據采集以及后期的數據處理。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。還可以使用四元數法、旋轉矢量法等其他算法。同時對傳感器的數據進行濾波、數據融合等相關處理。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)響應要求。姿態(tài)測量仿真結果如圖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據接口,可以通過上位機來控制,也可以在單片機中直接實現控制算法,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、過程檢測技術與儀表、傳感器、C語言、單片機原理與應用等課程。控制效果曲線如圖4和圖5所示。

2 平臺調試

圖3 姿態(tài)測量仿真結果

平臺設計完成后,進行了各部分的聯(lián)調,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。設置了多重開關,避免誤操作造成危險,同時在程序中設置了多個保護。最后進行了整機的調試,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生使用。除此之外,經過測試,平臺還具有較大的空余負載能力,為日后升級設備、加裝設備都提供了空間,有很好的擴展性。預留出了足夠的I/O口,可以安裝GPS等傳感器,實現多樣的導航方案,或者掛載航拍設備,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練,實驗項目見表1。

表1 相關課程實驗訓練

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,實驗室成員還搭建了內容豐富的測控系統(tǒng),如無線數傳、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容和課外活動內容。部分學生自主開發(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,能使學生從被動應付實驗變成主動實驗,不僅提高了基本操作技能,也發(fā)揮了學生的學習自主性和創(chuàng)造性[12]。學生在校內外的多個競賽中取得優(yōu)異成績。獲得全國大學生電子競賽二等獎1項,獲得吉林省電子設計大賽一等獎2項,獲得吉林省電子設計大賽二等獎1項、三等獎2項;獲得校級電子設計大賽多項1等獎。通過該實驗平臺的實驗訓練,使得學生逐步形成了對自動化系統(tǒng)的認識,初步具備了自動化系統(tǒng)整體設計的能力,與理論的學習相得益彰。該實驗平臺的構建也培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的實驗指導教師,為實驗室以及院系的長期發(fā)展奠定了良好的基礎。

4 結束語

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,也為開展相關的科研研究、理論實踐,培養(yǎng)具有相關實踐能力的專業(yè)人才,提供了實物平臺。該平臺同時還承擔了校級大學生“綜合性、設計性、研究性、自主開放型”實驗項目,以及吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等實踐項目。

實踐表明,該平臺充分體現了模塊化設計的優(yōu)點。在單一平臺上實現了眾多功能以及進行眾多實驗項目訓練,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。學院設有創(chuàng)新實驗基地,為學生進行創(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,但對學生很有吸

如今實驗設備的平臺化已經逐步成為趨勢,平臺化可以充分利用實驗場地,提高資金的利用率,最大程度利用設備,服務教學活動,提升學生的綜合實踐素質。同時實驗平臺也應當保持對本領域最新成果的跟蹤,達到開拓學生視野的目的。本平臺的研究內容新穎,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生培養(yǎng)以及科研的需要。

References)

[1]王茜.自動化綜合性實驗平臺的建設模式[J].實驗室研究與探索, 2009,28(10):96-98.

[2]馬鐵東,楊欣,李斌,等.自動化專業(yè)基礎系列課程建設與實踐[J].電氣電子教學學報,2012,34(5):14-16.

[3]王培俊,羅大兵,李琳,建設虛擬設計與制造創(chuàng)新性實驗平臺多層次培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J].實驗技術與管理,2010,27(3):100-102.

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[5]高云鵬,滕召勝,黎福海,等.開放實驗室與學科競賽平臺相結合的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實驗技術與管理,2012,29(4):360-362.

[6]楊景發(fā),王英龍,張曉凱,等.依托物理實驗教學示范中心,完善創(chuàng)新實驗平臺建設[J].實驗技術與管理,2011,28(8):229-231.

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[8]邢維巍,樊尚春,孫晉豪,等.微弱電信號檢測分析綜合實驗平臺建設[J].實驗室研究與探索,2013,32(5):67-70.

[9]李榮冰,劉建業(yè),曾慶化,等.基于MEMS技術的微型慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展現狀[J].中國慣性技術學報,2004,12(6):88-90.

[10]黃遠新,何曉陽,朱利泉,等.生命科學實驗平臺建設與管理[J].實驗室研究與探索,2006,25(7):866-868.

[11]王偉祖,鄭旭明.建立綜合設計實驗平臺培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索,2004,23(8):74-76.

[12]馮玉昌,門洪,關碩.微型計算機原理及接口技術課程教學實踐研究[J].東北電力大學學報,2012,32(3):88-90.

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測控制、先進控制在熱工過程中的應用.

E-mail:fengyuchang_fyc＠163.com