四轴飞行器控制系统

四轴飞行器网络控制系统
组长： 蒋盛锋 组员： 江义 余国良 袁续凯 赵梓乔 2013年10月22号
分工与合作
• 蒋盛锋：四轴飞行器网络化系统的综述 • 江义：基于wifi的无线视频通信 • 余国良：基于zigbee的无线数据传输 • 袁续凯：机载中心主控器和四轴控制器之间的CAN通信
• 赵梓乔：四轴飞行器的导航与电机控制
• wifi的协议传输流程主要分为：用户设备发送数据和用户设 备请求模块发送数据。下面将分别介绍：
用户发送数 据到模块：
模块发送数 据到用户：
Zigbee网络体系架构
应用层由 APS 子层(应用支持子层)， ZDO(ZigBee 设备对象包括ZDO 管理 平台)，厂商定义的应用。 网络层中包括数据服务实体(NLDE)和 管理服务实体(NLME)两个服务实体。 MAC 层主要负责协调器产生网络信标、 CSMA-CA 信道访问机制、支持PAN 的关联和解关联操作、处理和维护保 证时隙机制。 IEEE802.15.4 物理层定义了 868MHz、 915MHz 和 2.4GHz 三个频段ZigBee 通常不能同时兼容这三个频段，应该 根据设备使用地的规定来选择ZigBee 设备。
中心主控制智能体每次都同时向四个旋翼控制智能体发 送信息数据,因此在此处的ReceiverlD分别为系统定义的四个 旋翼控制智能体的ID号,即:0x11, 0x12, 0x13 和 0x14。
中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交流格式
[正文内容]=[旋翼控制器0x11的PCA_PH][旋翼控制器0x12的PCA_PH] [旋翼控制器0x13的PCA_PH][旋翼控制器0x14的PCA_PH]
四轴飞行器飞行原理
系统总体框图
机载系统
CAN总线 无线摄像头
无线
传 wifi
输
电机控制器
无刷直流电机
PC机
机载主控芯片
Zigbee传输
电机控制器
无刷直流电机
电机控制器
无刷直流电机
姿态方位参考系统 ຫໍສະໝຸດ BaiduAHRS） 电机控制器 无刷直流电机
无线网络标准的比较
wifi的网络结构
• WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终 端以无线方式互相连接的技术。简单来说其实就是IEEE802.11的 别称，但是WI-FI只使用了802.11的媒体访问控制层（MAC）和物 理层（PHY）。下图为IEEE802.11逻辑结构。
视觉/惯性全自主导航基本流程图
• 以往，无人机主要依靠惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）和全球定位系统（Global Position System, GPS）进行导航，然而，导航过程中惯性器件具有累积误差， 且对初始值过于敏感，本四轴飞行器系统采用视觉/惯性全自 主导航。
四轴飞行器概述
• 四轴飞行器同时也叫四旋翼无人飞行器、四旋翼无人机， 国外又称（Four-rotor，4 rotors helicopter，X4flyer，Quad-rotor）等等，是一种能够垂直起降的飞行 器，它具有四个螺旋桨，并且四个螺旋桨呈十字形结构分 布。由于尺寸较小、重量较轻、适合携带，具备自主导航 飞行能力。所以适用于在复杂、危险的环境下完成特定的 飞行任务，同样也可以用于娱乐。
CC2420通信流程图
• CC2420 的通信过程主要分为 3 部分，分别是初始化部分、 发送部分和接收部分。
数据发送流程图
CC2420通信流程图
数据接收流程图
四轴多智能体系统控制问题的描述
• 将Agent的思想引入四轴无人飞行器系统后,每个轴的控制器就相当于
一个Agent。中心主控制器把其他的四个轴控制器连接成一个网,并在 它们之间建立适当的联系,表示为AGENT={agentl,agent2, agent3, agent4}。 • 中心主控Agent接到请求后如果发现该飞行控制任务可由另一个或 几个Agent完成,则可以向这些Agent提出协作要求,收到合作要求信息 的Agent有权决定是否接受该合作请求,并给中心主控Agent以反馈,如 此数次反复直至达成控制目标。
在本文中四个旋翼控制器的的PCA参数,或是地面控制 站发送而来的,或是中心主控智能体经过传感器采集后,通过 一定的算法得出的。 例如:系统要求四旋翼飞行器以悬停状态飞行。根据试 验测得飞行器悬停状态的飞行器的PCA参数依次为: [旋翼控制器0x11的PCA_PH=0xF3] , [旋翼控制器0x12的PCA_PH=OxFl], [旋翼控制器0x13的PCA_PH=OxF3], [旋翼控制器0x14的PCA_PH=OxFl],则地面控制站只要 通过上位机操作软件发送数据流为: [Ox 11 ] [Ox12] [Ox13] [Ox14] [OxF3 ] [OxF1 ] [OxF3] [OxF1]。
[Messege]=[发送者][接收者][正文内容] [ [发送者]=[SenderlD]
设中心控制智能体的ID号定义为0x10。但由于釆用的 CAN总线通信,一次最多只能发送8个字节,而且中心控制 智能体只有一个,因此由于数据长度的限制,中心主控智能 体作为发送者的ID号省略。
[接收者]=[ReceiverlD]
四轴飞行器飞行原理
• 四轴飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的 变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器在空间共有 6 个自由度（分别沿 3 个坐标轴作平移和旋转动作），这 6 个 自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动 状态分别是：（1）垂直运动；（2）俯仰运动；（3）滚转运动； （4）偏航运动；（5）前后运动；（6）侧向运动。
信息流的格式要求： • 每个旋翼控制智能体都有独立的地址、自身的状态信息、群 组信息等等,每个旋翼控制智能体都可以 得到其它旋翼控制 智能体的状态信息,因此信息流的格式定义至少应该包括: 1.旋翼控制智能体的ID; 2.群组识别码; 3.接收方ID; 4.信息的详细描述
中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交流格式
基于多智能体的四轴协作规划 • 整个系统的控制策略主 要是将中心主控器和四 个旋翼控制器看成一组 由5个智能体组成的多 智能体（Agent），由 一个主控智能体进行决 策,由4个旋翼智能体相 互协作的完成系统的飞 行任务。
四轴协同工作系统结构
各个智能体之间的信息交流
CAN通信的主体： • 1、中心控制智能体和四个旋翼控制智能体的信息交 流; • 2、旋翼智能体之间的信息交流 。
物理层（PHY）
wifi的传输框图
本系统通过UART把摄像头和USR-wifi232连接起来。USRwifi232作为STA，工作在桥接模式。模块连接到AP后，这样 所有USR-wifi232上的数据都可由数据接收终端来管理。
摄像头
UART
USR-wifi232
无线网络
无线路由器
PC机
wifi的协议传输模式流程
MAC层的目的是在LLC(逻辑链路控制)层 的支持下为共享介质物理层提供访问控制 功能(如寻址方式、访问协调、帧校验序列 生成的检查，以及LLCPDU定界等) 物理层主要解决适应WLAN信道特性 的高效而可靠的数据传输问题，并向 上层提供必要的支持与响应
逻辑链路控制层（LLC）
介质访问控制层（MAC）