MSP430 Tek Çip Bilgisayara Dayalı Dört Rotorlu Uçak Kontrol Sisteminin Tasarımı
Tang Jinping, Zhou Lei, Jin Asuo
(Elektrik Mühendisliği Okulu, Nantong Üniversitesi, Nantong 226019, Jiangsu)
Quadrotor, kanatlı 4 motorla sürülen ve çapraz yapı oluşturan bir uçaktır. Bu deney, dört rotorlu bir uçak kontrol sistemi oluşturmak için ana kontrol çipi olarak MSP430F149 tek çipli mikrobilgisayarı temel almaktadır. MPU-6050 sensörü ile uçağın tutum bilgisini elde edin ve özyinelemeli filtreleme algoritması ile güvenilir tutum verisi elde edin. Kuaterniyon füzyon algoritması ile, quadrotorun tutum açısını elde etmek için tutum hesaplaması yapılır ve ardından ortadan kaldırmak için PID kontrol algoritması kullanılır. Dört rotorlu uçak uçuş sırasında öngörülemeyen hatalara sahiptir Son olarak, fırçasız DC motor, dört rotorlu uçağın kendi kendine denge kontrolünü gerçekleştirmek için PWM dalgaları şeklinde kontrol edilir. Bu test, temelde dört rotorlu uçağın düzgün kalkış ve inişini gerçekleştirebilen dört rotorlu uçağın kendi kendine stabilizasyon kontrol sistemini tamamladı.
MSP430; MPU-6050; Euler açısı; kuadrotor; kapalı döngü kontrolü
Dört rotorlu uçak, en yaygın ve en basit çok rotorlu uçak türüdür. 2010 yılında dünyanın ilk dört rotorlu uçağı olan AR.Drone çıktı ve Fransız Parrot şirketi tarafından piyasaya sürüldü. Mükemmel performansa sahip, hafif, güvenli ve kolay kontrol edilebilen yüksek teknolojili bir oyuncak olarak konumlandırılmıştır.Ayrıca kendi kendine gezinebilir, resim çekebilir ve bunları WiFi üzerinden görüntülemek için cep telefonuna aktarabilir.
DJI, birçok quadrotor şirketi arasında bahsetmeye değer şirketlerden biridir. İlk yıllarda, DJI'nin ana işi helikopterlerin kontrolü üzerineydi.Ar.Drone'nin gelişinden sonra DJI, dört rotorlu uçak pazarını gördü ve dört rotorlu ürünleri incelemeye başladı. DJI, 2012 yılında arka arkaya birkaç uçak ürününü piyasaya sürdü. O dönemde AR.Drone liderliğinde, dünya çapında quadrotor uçakların ticarileştirilmesi dalgası vardı.
Ocak 2013'te DJI, Şekil 1'de gösterildiği gibi Phantom'u piyasaya sürdü. Quadrotor, yeni bir alan-hava fotoğrafçılığı için geliştirildi. "Hayalet" Çince'de görünüşüne uyan cin anlamına gelir. Phantom'un piyasaya sürülmesiyle, dört rotorlu motor pazarı da değişmeye başladı. Phantom'un kullanımı kolaydır ve kontrol deneyimi olmayan acemiler onu kullanmayı çabucak öğrenebilirler. AR.Drone ile karşılaştırıldığında, Phantom daha büyük boyuttadır ve açık havada uçarken rüzgar girişimine karşı daha dayanıklıdır.Pantom ayrıca GPS navigasyon işlevine sahiptir ve geniş bir aralıkta uçabilir. Phantom'un en büyük özelliği kameralarla donatılabilmesidir. Phantom, ekstrem sporları çekmek için bağlantı çerçevesine bir GoPro spor kamerası monte edebilir. Phantom, farklı perspektiflerden çekilebilir ve geleneksel uçak hava fotoğrafçılığının aksine, küçük ve esnektir, fotoğrafçının açıyı serbestçe kontrol etmesine olanak tanır. Phantom + GoPro çekim modunun ortaya çıkışı, quadcopter'ı daha güçlü hale getiriyor. Çok rotorlu uçakların hava fotoğrafçılığını yeniden tanımladığını söylemek abartı olmaz.
Mevcut quadrotor pazarından bir parça AR.Drone tarafından temsil edilen oyuncak pazarı ve diğer bölüm DJI Phantom ve DJI S1000 [1] tarafından temsil edilen hava aracı pazarıdır. Tanınmış ekspres şirketi SF Express, çok rotorlu uçaklarla ekspres teslimat sağlamak için bir deney yaptı. Volkanik kraterler ve bataklıklar gibi insan faaliyetlerinin zor olduğu bazı yerlerde, jeolojik araştırmalar için çok rotorlu uçakların kullanımı da artıyor. Orduda, çok rotorlu uçaklar, drone keşfi için kullanılabilir. Ek olarak, çok rotorlu uçak ayrıca orman yangını önleme izleme, karayolu araç izleme ve kamu malı yerinde izleme için de kullanılabilir.
1 Genel plan
1.1 Quadrotorun temel yapısı
Quadrotor, bir çapraz yapı oluşturmak için kanatlı 4 motor tarafından sürülen bir tür uçaktır.Bu deneydeki quadrotor çapraz uçuş modunu benimser ve motor 1 doğrudan öndedir, böylece ön, arka, sol ve sağ belirlenir. Dört motor sırasıyla çapraz yapının dört köşesine yerleştirilmiştir ve bu şekilde oluşturulan dört rotor aynı yapıya sahiptir ve çiftler halinde simetriktir [2]. Uçuş kontrolörü ve batarya orta kesişme noktasına takılmıştır. Quadrotorun yapısı Şekil 2'de gösterilmiştir.
1.2 Spor duruş analizi
Dört rotor, dört rotorla birlikte kaldırma sağlar ve dört motorun hızını değiştirerek dört rotorun kaldırmasını ayarlar, böylece uçağın tutumunu ve uçuş yönünü kontrol eder. Quadrotor 6 serbestlik derecesine, 4 kuvvet girişine ve 6 durum çıkışına sahiptir, bu nedenle düşük tahrikli bir sistemdir [3].
Quadrotor uçaklarının [4] iki ortak uçuş modu vardır: X uçuş modu ve iki motorun ileri döndüğü ve iki motorun dönüş kuvvetini dengelemek için geri döndüğü çapraz uçuş modu. Bu test çapraz uçuş modunu benimser, motorlar 2, 4 saat yönünde döner ve motorlar 1, 3 saat yönünün tersine döner.
Motor 1'in yönünün ileri yön ve x ekseni yönü; motor 2'nin sol yön, yani y ekseni yönü; motor 3'ün sağ yön; motor 4 arka yön; z ekseni yönünün x ve y'ye dik olduğu öngörülmüştür. Quadrotorun hareket tutumu, Şekil 3'te gösterildiği gibi 6 türe ayrılabilir: dikey hareket, eğim hareketi, yuvarlanma hareketi, sapma hareketi, ileri ve geri hareket ve eğim hareketi.
2 donanım sistemi tasarımı
2.1 Donanım çerçevesi
Dört rotorlu uçağın donanım yapısı Şekil 4'te gösterilmektedir. MSP430F149 tek çipli mikrobilgisayar, uçuş kontrol panosu için ana kontrol çipi olarak kullanılır MPU-6050, uçak durum verilerini elde etmek için kullanılır ve elektronik regülatör, motor hızını ayarlamak için PWM dalgası tarafından kontrol edilir. Kolay hata ayıklama için Mavic Air'ın dahili verilerini görüntülemek için Nokia5110 ekranını kullanın.
2.2 Güç
Bir quadrotor için, güç kaynağının kalitesi, uçuşunu büyük ölçüde etkileyecektir. Bu testte kullanılan yeni Sida 2212 KV2200 motor 5043 numaralı pervane ile eşleştirilir.Tek motor tam yükte çalışırken ölçülen akım 21.1 A'ya ulaşabilir. Yani uçak tamamen yüklendiğinde, toplam akım 80 A veya daha fazlasına ulaşacaktır. Aynı zamanda quadrotorun taşıma kapasitesi de göz önünde bulundurulduğunda güç kaynağının kalitesi çok önemlidir. Bu test, güç kaynağı olarak elektronik hız kontrol cihazına sahip Lion 3S11.1V2200 mAh pil kullanır.
2.3 Açı sensörü modülü
MPU-6050, InvenSense tarafından piyasaya sürülen dünyanın ilk entegre 6 eksenli hareket işleme sensörüdür. MPU-6050, 3 eksenli bir hızlanma sensörünü ve 3 eksenli bir açısal hız sensörünü entegre eder ve algılama ekseni ve yönü Şekil 5'te gösterilmiştir.
3 eksenli hızlanma sensörünün doğruluğu programlanabilir ve aralık: ± 2 g, ± 4 g, ± 8 g ve ± 16 g [5].
3 eksenli açısal hız sensörünün doğruluk aralığı: ± 250, ± 500, ± 1000 ° / s ve ± 2000 ° / s.
2.4 Motor ve elektronik hız kontrol modülü
2.4.1 Fırçasız DC motoru kontrol etmek için elektronik hız kontrol cihazını seçin
Motor ve elektronik hız kontrolörü, fırçasız DC motoru kontrol etmek için kullanılır. Quadrotorlarda kullanılabilen iki tip DC motor vardır: fırçasız motorlar ve fırçalı motorlar. Fırçasız motor, çalışma sırasında kıvılcım üretmez, bu da uzaktan kumandanın kablosuz sinyalindeki paraziti azaltır.Aynı zamanda fırça motorundan daha sessiz ve daha akıcı çalışır, güvenilir bir yapıya sahiptir ve temelde bakım gerektirmez. Bu nedenle, elektronik regülatör kontrollü fırçasız motor, quadrotor olarak kullanım için daha uygundur.
2.4.2 Yeni Sida 2212KV2200 motor
Yeni Sida 2212KV2200 motorda 7 çift kutup ve 12 sargı vardır.
Yeni Sida 2212KV2200 motorun altı güç açık koşulu altında, motor bir dış rotor yapısına sahiptir, yani içinde bobin bulunan kısım stator, 7 çift kutuplu kabuk ise rotordur.
2.5 Uçuş Kontrolü (MSP430F149)
MSP430, TI tarafından üretilen düşük güçlü bir seri mikro denetleyicidir. 16 bitlik azaltılmış yönerge yapısı (RSIC) [6] kullanarak, özellikleri şunlardır: ultra düşük güç tüketimi; güçlü işlem kapasitesi; zengin yonga üzerinde çevre birimleri; kararlı sistem çalışması; basit ve kullanışlı geliştirme ortamı.
3 Yazılım ve kontrol algoritması
Uçuş kontrol programı, dört rotorlu uçağın kontrol sistemini gerçekleştirmenin anahtarıdır. Zamanlayıcı A tarafından 20 ms'lik bir kesinti oluşturulur. Her kesinti oluştuğunda, MSP430F149 orijinal tutum verilerini elde etmek için MPU-6050'den I2C'ye kadar veri toplar.Yinelemeli filtreleme ve kuaterniyon füzyon algoritmasından sonra, tutum açısı elde edilir ve ardından uçuş gerekir. Tutum ve PID algoritması aracılığıyla, motorun kontrol miktarını hesaplayın ve son olarak PWM [7] aracılığıyla motor hızını kontrol edin. Bir sonraki kesinti gerçekleştiğinde, uçağın tutum bilgisi MPU-6050 aracılığıyla tek çipli mikrobilgisayarda güncellenir ve bu döngü, dört rotorlu uçağın kendi kendine stabilizasyon kontrol sistemini gerçekleştirmek için kullanılır.
Program akışı Şekil 6'da gösterilmektedir.
4 Sistem testi ve uygulama sonuçları
4.1 Tutum hesaplama testi
Duruş hesaplama testinde, Nokia5110 ekranı kullanılır ve orijinal sensör verileri, yinelemeli filtreleme verileri, kuaterniyon algoritması füzyon verileri ve PWM dalga görev döngüsü verileri, program değiştirilerek ayrı ayrı görüntülenebilir. Bu, kullanıcıların Şekil 7'de gösterildiği gibi sorunları bulmak ve hata ayıklamak için uygun olan veri işlemenin sonuçlarını sezgisel ve rahat bir şekilde anlamasına olanak tanır.
Deneysel sonuçlar, uçak hafifçe sallandığında ekranda görüntülenen konum açısı bilgisinin (tutum açısı) doğru olduğunu göstermektedir.
4.2 PID parametre testi
PID kontrolünün bir avantajı, öngörülemeyen hataları ortadan kaldırabilmesidir PID parametreleri, deneysel parametreler grubudur.Gerçek kontrol sistemi testine dayalı olarak uygun PID parametrelerinin seçilmesi gerekir. Quadrotor uçak için, PID hata ayıklama yöntemi aşağıdaki gibidir:
(1) Dört rotorlu uçak çapraz uçuş modunu benimser, eğim açısı motorlar 1, 3 tarafından kontrol edilir ve dönüş açısı motorlar 2, 4 tarafından kontrol edilir.
(2) Perdeyi ayarlarken, önce I ve D'yi 0 olarak ayarlayın (burada P, I ve D sırasıyla orantılı parametreyi, integral parametresini ve türev parametresini temsil eder) ve sadece P miktarını küçükten büyüğe değiştirin. Sistemde kritik bir salınım veya yakınsama osilasyonu meydana geldiğinde, bu andaki P değeri gerekli verilerdir.
(3) Orantısal bağlantı, PID regülasyonunda ayarlanması en zor olanlardan biridir.P değeri belirlendiği sürece, integral ve diferansiyel bağlantıların uygulanması daha kolaydır.
(4) Diferansiyel katsayısı D de sistem regülasyonunu etkileyen önemli bir parametredir. Diferansiyel bağlantının işlevi, hata dönüşümünün hızını yavaşlatmaktır. Bir quadrotorda, rotorun dönüş hızı çok hızlı olamaz. Adım (2) 'de, kuadrotor sabit bir genlik salınımına sahiptir Sabit genlikli salınım sırasında, iki uçtaki salınım hızı en yavaş olanı ve salınım hızı ortadaki ideal konumda en hızlı olanıdır. Diferansiyel bağlantı D'yi ekledikten sonra, diferansiyel bağlantı, salınım hızının en hızlı olduğu ideal konumda en büyük etkiye sahiptir ve böylece sistemin aşılmasını bastırır.Uygun D değeri seçildiği sürece, dörtlü motor hızlı ve doğru bir şekilde ideal konuma ayarlanacaktır. Ve aşma olmayacak.
PID parametrelerinin ayarı sistemin gerçek koşullarından etkilenir ve aynı zamanda farklı quadcopter'lar arasında farklıdır, bu nedenle PID parametreleri yalnızca gerçek testten sonra belirlenebilir. PID parametrelerinin test sonuçları Tablo 1 ve Tablo 2'de gösterilmektedir.
5. Sonuç
Bu deneyde, kuadrotorun yapısı analiz edildi ve kuadrotorun kendi kendine stabilizasyon kontrol sistemi tamamlandı, bu temelde quadrotorun düzgün kalkış ve inişini gerçekleştirebilir. Bu makale, quadrotorların gelişim durumunu ve gelişim geçmişini tanıtır, quadrotor araştırmalarındaki bazı teknik zorlukları listeler, quadrotorların uçuş tutumunu analiz eder ve quadrotorların yazılım ve donanımının gerçekleştirilmesini tanıtır.
Referanslar
[1] DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dört rotorlu kontrol için zerodinamik stabilizasyon ile dinamik inversiyon J. IET Kontrol Teorisi ve Uygulamaları, 2009, 3 (3): 303-314.
2 MIAN A A, Wang Daobo 6 DOF dört rotorlu helikopter için modelleme ve geri adımlamalı doğrusal olmayan kontrol stratejisi J Çin Havacılık Dergisi, 2008 (21): 261-268.
3 Hou Yongfeng, Lu Lianshan, Gao Shangde, ve diğerleri PD algoritmasına dayalı quadrotor kontrol sistemi üzerine araştırma J. Mechanical Science and Technology, 2012,31 (3): 359-362.
[4] Wang Lu. Az harekete geçirilmiş dört rotorlu insansız hava aracının kayma modu kontrolü J Harbin Mühendislik Üniversitesi Dergisi, 2012, 33 (10): 1-6.
5 Chen Wei, Yang Zhong, Xia Yuliang, ve diğerleri MEMS hızlanma sensörünün minyatür özel robotta uygulanması J. Sensors and Microsystems, 2009,28 (7): 110-113.
[6] Yang Ping, Wang Wei MSP430 serisi ultra düşük güçlü tek çipli mikrobilgisayar ve uygulaması J Yabancı Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2008, 27 (12): 48-50.
[7] Li Quan, Su Jiaqiang, Li Xiaoran DC Motor Senkron Kontrol Sisteminin Tasarımı J. Journal of Hechi University, 2010, 30 (5): 46-51.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
