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ME461平衡四旋翼飛行器開源分享

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資料介紹

描述

目標(biāo)

在我們的最終項(xiàng)目中，我們的團(tuán)隊(duì)正試圖讓四旋翼飛行器圍繞一個(gè)中心點(diǎn)進(jìn)行自我平衡，類似于其前輪上的 segbot 平衡。為此，我們將實(shí)施與 segbot 類似的過濾器，其中 MPU 將為我們提供加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，而電機(jī)將使用這些數(shù)據(jù)來校正俯仰和偏航。使用陀螺儀數(shù)據(jù)和羅盤讀數(shù)的免費(fèi)過濾器用于查找偏航角。由于 F28027芯片的處理限制，滾動(dòng)和俯仰的狀態(tài)估計(jì)是使用輕量級(jí) Madgwick 算法而不是更傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器選擇生成的。然后使用這些角度讀數(shù)來控制四軸飛行器的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，然后轉(zhuǎn)換為電機(jī)功率指令。我們還將使用 Raspberry Pi 和 OpenCV 提供兩個(gè)彩色斑點(diǎn)的角度跟蹤，然后將其作為俯仰和偏航的角度命令發(fā)送到四旋翼飛行器。最后，我們還將嘗試讓 Raspberry Pi 無線工作。這將使用 ESP8266 芯片完成。該芯片應(yīng)使用 Wi-Fi 與 F28027 板進(jìn)行無線通信。這將有助于校準(zhǔn)，因?yàn)槲覀兛梢砸瞥恍┌l(fā)送和接收線。盡管這不是很有用，因?yàn)樗男盹w行器不會(huì)移動(dòng)，但這將是一個(gè)很好的實(shí)踐，并且可以更簡(jiǎn)單地設(shè)置 Raspberry Pi。

過程

電路板

該項(xiàng)目的物理構(gòu)成將基于項(xiàng)目 2 的原理圖構(gòu)建。基本電路由一個(gè) USB COM 端口電路組成，該電路可以將 UART 讀取到 USB 以用于我們的控制輸入。這與我們之前涉及機(jī)器人汽車和 seg-bot 的實(shí)驗(yàn)室的協(xié)議類似。通過此端口，我們可以將 C 語言的機(jī)器代碼從計(jì)算機(jī)的編譯器上傳到 TMS320F28027 處理器。請(qǐng)注意，該處理器配備了 C2800 處理器中最低的速度和內(nèi)存，并將決定我們實(shí)現(xiàn)三軸控制的過程。

該板還包含公頭和母頭引腳，以允許連接到外部表面貼裝芯片。在我們的案例中，我們將其設(shè)計(jì)為包含一個(gè) Raspberry Pi。我們?cè)?jì)劃可能將激光雷達(dá)用于距離反饋，將 ESP8266 用于無線通信的可能性。

轉(zhuǎn)子電路由 4 個(gè)連接到 EPWM 引腳的 RC 伺服系統(tǒng)組成，每個(gè)都包含一個(gè)相應(yīng)的 MOSFET 以驅(qū)動(dòng)電流到每個(gè)電機(jī)。將有一個(gè)輕質(zhì)塑料螺釘和螺母將每個(gè)伺服器直接固定到印刷電路板上。電路板每個(gè)角上的通孔都包含在 PCB 制造中，因此將被使用。手臂將從中間部分的每個(gè)角向邊緣延伸 45 度。

樹莓派和OpenCV

Raspberry Pi 的目的是運(yùn)行 OpenCV 程序并將值發(fā)送到四軸飛行器。Raspberry Pi 的第一步只是簡(jiǎn)單地更新它并確保目錄全部設(shè)置在板上。設(shè)置完成后，使用 OpenCV 和攝像頭實(shí)施了斑點(diǎn)跟蹤程序。攝像頭拍攝前面的基本圖像，然后OpenCV軟件進(jìn)行圖像過濾，只取一定的HSV值。HSV 是色調(diào)、飽和度和值，它定義了給定環(huán)境的顏色和照明。通過定義特定的 HSV 值，相機(jī)可以只看到經(jīng)過圖像過濾的顏色，然后可以看到對(duì)應(yīng)于不同顏色紙片的兩個(gè)斑點(diǎn)，其中可以找到斑點(diǎn)的大小和中心。

有了這兩個(gè)角度值，就可以將它們發(fā)送到四軸飛行器，這樣四軸飛行器就會(huì)對(duì)相機(jī)所看到的做出反應(yīng)。為了與四軸飛行器通信，使用了 UART。這允許串行端口發(fā)送兩個(gè)角度值，然后在需要時(shí)接收回值。事實(shí)證明，Raspberry Pi 非常有用，因?yàn)樗梢詼p輕相對(duì)較小的四軸飛行器處理器的一些處理重量，該處理器已經(jīng)加載了 Madgwick 過濾器。

ESP8266芯片

ESP8266 芯片的目標(biāo)是減少四旋翼飛行器所需的電線。該芯片將使四旋翼飛行器能夠通過 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)通信。這將使四邊形具有更少的電纜并且是無線的。讓四旋翼飛行器是無線的將使平衡更容易，而不是將其連接到多條電線上。

首先，使用了學(xué)期初提供給我們的 LaunchXL-F28379D 板和綠色擴(kuò)展板。該代碼使用了許多 ESP 命令來連接 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、IP 地址和芯片。給定的命令在 LaunchXL-F28379D 板上完美運(yùn)行。然后使用 LabView 程序發(fā)送和接收給定數(shù)據(jù)。這可以在 Terra Term 中打印出來，以確保數(shù)據(jù)被正確發(fā)送。這在綠板上運(yùn)行良好，能夠 ping 通 IP 地址。

然后，創(chuàng)建了一個(gè)新的四旋翼來測(cè)試 ESP8266。必須添加幾根電線并將 ESP 焊接到四邊形。這是因?yàn)?quad 板沒有一組用于 ESP 的引腳。使用 ESP 芯片上的母頭線和公頭，將 ESP 連接到四板上。然后更改了 LaunchXL-F28379D 板 ESP 代碼，用于四板和 ESP 芯片之間的通信。這是遇到問題的地方，在問題部分有更多解釋。由于通信問題，ESP 最終沒有在四板上工作。

過濾

每次重新啟動(dòng)代碼時(shí)，quad 都必須定義其狀態(tài)。當(dāng) Madgwick 濾波器在初始校準(zhǔn)期間使用重力矢量計(jì)算陀螺儀偏移時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。在此期間，重要的是四邊形保持水平并朝向所需的方向。校準(zhǔn)過程中的不一致會(huì)導(dǎo)致偏移計(jì)算不正確，從而導(dǎo)致濾波器產(chǎn)生偏移讀數(shù)。

Madgwick 濾波器使用由陀螺儀讀數(shù)的反正切值定義的四元數(shù)。該定義在超過 90 度的某些方向上失效，但對(duì)于我們的項(xiàng)目，所有角度都應(yīng)低于 45 度，因此該限制不被視為問題。

最初嘗試使用免費(fèi)過濾器，但這會(huì)在高旋轉(zhuǎn)率后產(chǎn)生極高的漂移。即使對(duì)穩(wěn)態(tài)測(cè)量 - 加速度計(jì) z 非常信任，該濾波器在僅一分鐘的強(qiáng)烈感應(yīng)振蕩后產(chǎn)生超過 30 度的橫搖和俯仰漂移。這導(dǎo)致使用 M??adgwick 過濾器，這是一種計(jì)算量更大的算法。然而，通過最大限度地在 Raspberry Pi 上進(jìn)行其他計(jì)算的離線計(jì)算，開發(fā)了一個(gè)可以由 F28027 芯片運(yùn)行的輕量級(jí)過濾和控制循環(huán)。

控制系統(tǒng)

控制是圍繞 3 個(gè)四軸飛行器機(jī)身框架軸獨(dú)立執(zhí)行的：x（向前）、y（側(cè)向）和 z（向上）。這些軸對(duì)應(yīng)于俯仰角 theta、橫滾角 phi 和偏航角 psi。默認(rèn)控制設(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)角度使用 0 的設(shè)定值。該控制器確保四邊形在穩(wěn)定、水平、懸停方面的穩(wěn)定性。四邊形關(guān)于 x 軸和 y 軸近似對(duì)稱，因此對(duì)這些軸的控制幾乎相同。在實(shí)驗(yàn)后，代表總向上推力的穩(wěn)態(tài) z 狀態(tài)被選擇為大約 quad 全功率的 75%，這代表第四個(gè)控制輸入。首先為 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸實(shí)施 PID 控制器。持續(xù)嘗試增益調(diào)整導(dǎo)致可用的控制器具有較慢的穩(wěn)定時(shí)間，但是嘗試提高控制器的響應(yīng)能力會(huì)導(dǎo)致振蕩行為。鑒于陀螺儀數(shù)據(jù)本身是一個(gè)相對(duì)較低的方差測(cè)量值，可以將雙導(dǎo)數(shù)項(xiàng)添加到控制回路中，以減少傾斜加速度。這個(gè)雙微分項(xiàng)與相對(duì)較小的增益一起使用，允許一個(gè)非常靈敏的控制器，它幾乎瞬間返回到俯仰和滾動(dòng)的零角度。偏航的控制有點(diǎn)受限。這在很大程度上是因?yàn)槠脚c橫滾和俯仰具有動(dòng)態(tài)耦合：如果任一角度不精確為 0，則嘗試糾正偏航也會(huì)影響橫滾/俯仰。這意味著橫滾/俯仰和偏航的剛性控制器設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定，偏航響應(yīng)導(dǎo)致俯仰/滾動(dòng)，而俯仰/滾動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)致進(jìn)一步偏航。此外，四軸飛行器圍繞偏航軸具有較大的慣性矩，并且由于與螺旋槳推力不對(duì)齊而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力較低，從而導(dǎo)致控制響應(yīng)較慢。出于這個(gè)原因，選擇了較慢但更穩(wěn)定的偏航響應(yīng)，具有適度的比例增益和低微分增益項(xiàng)。偏航在幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)平衡，經(jīng)過幾次輕微的振蕩，這被認(rèn)為是可接受的性能。

通過計(jì)算每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的扭矩，這些扭矩被轉(zhuǎn)換為 0-3000 之間的電機(jī)命令，并發(fā)送到 PWM 1 和 2。每個(gè)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)推力為 2300 - 兩對(duì)平行螺旋槳之間的力差導(dǎo)致俯仰，垂直集之間的差異作用于滾動(dòng)。最后，由于四邊形的反向旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致相反的空氣動(dòng)力扭矩，偏航可以通過改變對(duì)角螺旋槳對(duì)之間的電機(jī)命令來影響。扭矩和電機(jī)命令之間的關(guān)系是通過將電機(jī)推力和扭矩以及四極慣量縮放到 PWM 輸入范圍 (0-3000) 來估算的。然后對(duì)其進(jìn)行調(diào)整以提供良好的響應(yīng)。一旦 Raspberry Pi 配置為計(jì)算跟蹤器的偏航和俯仰，這些設(shè)定點(diǎn)被發(fā)送到 F28027 芯片以代替平衡設(shè)定點(diǎn)。這允許通過 OpenCV 相機(jī)對(duì)四軸飛行器方向進(jìn)行物理控制。

問題

ESP8266

問題之一是 ESP8266 芯片無法與四核板正確通信。代碼符合要求，但與芯片通信時(shí)出現(xiàn)問題。這清楚地顯示在 LabView 程序中。LabView 在到達(dá) TCP 時(shí)一直超時(shí)，這意味著沒有正確的通信。代碼經(jīng)過多次修改，確保所有部分都能正常工作。通過調(diào)試，可以ping通IP地址。這意味著有一些交流。但是，由于板子和芯片不兼容，所以好像無法通信。