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Raspberry Pi專題製作四旋翼飛行器

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目前市面上多旋翼相關產品,大都以MCU套件+遙控器居多,此專題我們將使用搭載Linux作業系統的Raspberry Pi B+
教學板控制直流馬達實現穩定的飛行。

為解決Raspberry Pi的硬體PWM腳位不足,我們使用的子板擴充(PCA9685)。飛行姿態由MPU6050量測加速度與角速度,並利用Complementary Filter演算法增加測量的穩定性,結果經PID運算後, 透過調整PWM的週期達到BLDC馬達轉速控制.

 為提供馬達及系統有足夠的電流,所以使用20C鋰電池以達到四軸飛行器作業需求。通訊方式則以WiFi作為Notebook和Raspberry Pi作為溝通媒介。

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Raspberry Pi專題製作四旋翼飛行器

  1. 1. 104年嵌入式軟韌體工程師人才養成班
  2. 2. Abstract 目前市面上多旋翼相關產品,大都以MCU套件+遙控器居多,此 專題我們將使用搭載Linux作業系統的Raspberry Pi B+ 教學板控制直流馬達實現穩定的飛行。 為解決Raspberry Pi的硬體PWM腳位不足,我們使用的子板擴充 (PCA9685)。飛行姿態由MPU6050量測加速度與角速度,並利用 Complementary Filter演算法增加測量的穩定性,結果經PID運算後, 透過調整PWM的週期達到BLDC馬達轉速控制. 為提供馬達及系統有足夠的電流,所以使用20C鋰電池以達 到四軸飛行器作業需求。通訊方式則以WiFi作為Notebook和 Raspberry Pi作為溝通媒介。
  3. 3.  General Flight Posture: UP Down Forward Back Left Right Flight Principle Rotate Reversal 採取X型態方式飛行(單顆馬達能量耗損低) 。
  4. 4. Flight Control  旋槳配置(1對順時針/1對逆時針)可平衡旋翼對機身的反扭矩。 四旋翼使用4個旋翼來產生上升的動力。 M1M3 M2M4 BLDC 順時針方向逆時針方向
  5. 5. Balance Control 初始位置 傾斜時 加速補償 減速補償  無控制方向時,藉由角度判斷執行馬達加減速以進行平衡控制.  藉由方位角度變化的判斷來對馬達加減速,以達移動的目的.
  6. 6. How to control Quadrotor Balance Control PWM User Control (Remote) Height Control Direction Control Pitch/Roll Filter MPU-6050 Flight Posture (Change) software ESC/BLDC
  7. 7. Hardware Block Diagram Control System (Raspberry Pi B+) BLDC Driver (ESC*4) BLDC*4 I2C PWM Extend (PCA9685) 4 PWM Remote Battery (Li-Po) I2CNotebook (with Putty) +12v +5v Quadrotor IMU Module (MPU-6050) Step-Down Voltage Regulator +12v WIFI
  8. 8. Hardware Interfaces 利用慣性感測元件偵測姿態並做BLDC控制.致力於穩定的飛行控制. BLDC ESC MPU-6050 Battery Voltage Regulator PWM Extend Raspberry Pi ESCUSB WiFi
  9. 9. System Platform  Hardware 晶片 BCM-2835 記憶體 512MB 40個GPIO端子 1隻腳位支援PWM  Software 掛載Linux系統(debian)  Raspberry Pi B+  擴充子板 16-channel, PWM
  10. 10. Balance Control PWM User Control (Remote) Height Control Direction Control Pitch/Roll Filter MPU-6050 Flight Posture (Change) software ESC/BLDC
  11. 11. IMU (MPU-6050 )  慣性感測器 我們使用MPU-6050 ,包含三軸加速度計與三軸陀螺儀. 規格: ◎ 供電電源:3~5V(內部低壓差穩壓) ◎ 通信方式:標準I2C通信協定 ◎ 晶片內置16bit AD轉換器 / 16位元資料輸出 ◎ 陀螺儀範圍:±250 / 500 / 1000 / 2000°/s ◎ 陀螺儀靈敏度:131 / 65.5 /32.8 /16.4 ◎ 加速度範圍:±2 / ±4 / ±8 / ±16g ◎ 引腳間距2.54mm 為了偵測物體位置與方向 使用慣性感測器(Inertial Measurement Unit ,IMU)
  12. 12. MPU-6050’s Function 陀螺儀(Gyroscope) 又名角速度計,為角慣性感測器,用於感測圍繞某個軸發生 的旋轉,測量以度/秒為單位的角速度, 偵測物體水平改變的狀態,無法計算物體移動的激烈程度 加速度計(Accelerometer) 藉由檢測施加在其中一個軸向的作用力來間接測量加速度。加速 度計常見的檢測方法是電容檢測 只能偵測物體的移動行為,無法偵測物體角度改變的能力
  13. 13. Balance Control PWM User Control (Remote) Height Control Direction Control Pitch/Roll Filter MPU-6050 Flight Posture (Change) software ESC/BLDC
  14. 14. Signal Correction(1/2)  Why do I need a filter? 慣性感測元件實際所取得的數據會受雜訊、環境等因素影響, 因此會有誤差產生.  實際面臨問題: 加速度計:量測僅長期數據較穩定(初期易受雜訊影響) 需要濾波處理 陀螺儀:長時間數據會產生漂移  需要利用加速度計修正 以濾波演算法處理 Kalman filter 卡爾曼濾波 Complementary Filter 互補式濾波
  15. 15. 採用Complementary-filter方法修正誤差. Signal Correction(2/2)
  16. 16. Balance Control PWM User Control (Remote) Height Control Direction Control Pitch/Roll Filter MPU-6050 Flight Posture (Change) software ESC/BLDC
  17. 17. Motor Selected  馬達分類概圖 選擇直流無刷馬達  直流馬達分類 最大差異:電刷有無
  18. 18. BLDC’s Property 特性:  電子式(無電刷)進行電流換相.  轉速同DC馬達由繞組線圈的電壓決定.  需透過驅動電路,將直流轉為三相交流.  分外外轉子與內轉子兩種. Type 內轉子 外轉子 構造 轉子在 線圈內 轉子在 線圈外 極數 普通 較多 (扭力較大) 轉速 較高 普通 外轉子BLDC示意圖 考量機體與裝置重量, 使用外轉子BLDC 轉子差異概述:
  19. 19. BLDC’s Driver Circuit  雙極型BLDC的驅動電路一般由MCU和三相橋式電路組成.  市面現成BLDC驅動電路,一般稱電子調速器(ESC)或 電子變速器. 電子變速器外觀
  20. 20. PWM Control(1/2) 脈波寬度調變(Pulse Width Modulation ,PWM) 線圈通電時MOSFET依照PWM訊號開關,可在不改變驅動電路 供電電壓的情形下,利用調整duty對馬達進行轉速控制. 、、 Duty: 為PWM方波週期內導通的百分比 period duty
  21. 21. BLDC’s Phase change(0~60゚) 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U V W Angle 0~60 Q1 1 Q2 0 Q3 0 Q4 0 Q5 0 Q6 1
  22. 22. BLDC Phase change(60~120゚) V W Angle 60~120 Q1 1 Q2 1 Q3 0 Q4 0 Q5 0 Q4 0 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U
  23. 23. BLDC Phase change(120~180゚) V W Angle 60~120 Q1 0 Q2 1 Q3 1 Q4 0 Q5 0 Q4 0 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U
  24. 24. BLDC Phase change(180~240゚) V W Angle 60~120 Q1 0 Q2 0 Q3 1 Q4 1 Q5 0 Q4 0 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U
  25. 25. BLDC Phase change(240~300゚) V W Angle 60~120 Q1 0 Q2 0 Q3 0 Q4 1 Q5 1 Q4 0 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U
  26. 26. BLDC Phase change(300~360゚) V W Angle 60~120 Q1 0 Q2 0 Q3 0 Q4 0 Q5 1 Q4 1 雙極性BDLC採用60度換相, 目前主要換相邏輯有120度導通和180度導通2種. 120度較為常用.每一相只導通兩個電晶體;三相電流亦只有兩相電流流通. U
  27. 27. Control System (Raspberry Pi B+) BLDC Driver (ESC*4) BLDC*4 I2C PWM Extend (PCA9685) 4 PWM Remote Battery (Li-Po) I2CNotebook (with Putty) +12v +5v Quadrotor IMU Module (MPU-6050) Step-Down Voltage Regulator +12v WIFI
  28. 28. Step-Down Voltage Regulator Raspberry Pi B+ ~600mA USB-WiFi 500mA (max) Li-Po Battery Raspberry Pi B+ + USB-WiFi +12V +5V LM2576 5V/3A(max)  LM2576穩壓降壓電路  實際電路圖 利用LM2576降壓穩壓電路 可符合需求 >1A 78XX  鋰電池降壓供電給Pi
  29. 29. Reference  i2c相關資料  維基百科  成大資工wiki  Gordons Projects website  PWM&BLDC相關資料  Slideshare 網站(馬達基本認識與BLDC電路驅動實驗 DMP electronics inc)  HT46R47 可調速無刷直流馬達驅動器應用  曾逸敦教授網站資料  降壓穩壓電路  Texas datasheet  IMU&濾波相關資料  http://www.pieter-jan.com/node/11  http://blog.gtwang.org/  電子工程專輯:加速度計和陀螺儀感測器:原理、檢測與應用  http://robottini.altervista.org/  艾鍗科技講師群與研發團隊  背景圖陳爾冬 youtube  http://www.bigfactory.com.hk/wp/quadcopter/
  30. 30. Thank You

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