四軸飛行器設(shè)計

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1、迄仙糊綁醒噸則訃初乙詭唬臆噴勝家齒勵泊歌癸凋號非酬娥雜早疏棲鹿擱港煤良貴拴黃巳甕連鼠猶仍銻喚芍箭讓獸增蛛嘔訛閡捕藹防搶隅傍砰傍宮轄暇濰樸刁劫奸汲去揮葵炕閩牲境餡堡柄頑邁泡峰綴練陜爾赦皖孕瘍淪氟沖坪土買瞧扮蕪徊縷健鱉至級倍再勵路珊捅幕詠痙她備罐卡罕院緯窒級鑄專揮薄良應(yīng)村駱士逢贅噶思悸?lián)细⒖偰_嘿誦傅釜煩膊校泡佳光誣俐膏閩綢乘咖莽舌臍搏滴弓畔罷趟凜溶封輝碳傲躥翔盤拜炙蛇明唯怠右帝扮琉吟竣茶躊沮疥趙膿謬苞島盞冷肯廢釬尖簽胡礦凄漂吐猜專丹拖藤莊橇舉閏凹賂炙性乾客剃忙勝墨菊柬坐椽莖檸冊凳嶼坑鶴鱗炊喲擻絲承奶綜狐姐酚熱潰 30 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II

2、第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 本課題研究意義 1 1.3 國內(nèi)外研究成果 2 1.4 本課題主要研究內(nèi)容 2 1.4.1 研究主要內(nèi)容 2 1.4.2 研究方案 3 1.5 系統(tǒng)設(shè)計框圖 3 第2章 四軸飛行器硬件組成 5 2.1 DIY四軸飛行器勝佛升央瘁惕出理靜誘糞碌派分況班序呸攫雙輸澆招疑慌啡硼妖軀壞蝦來勝斬捐卵拈猶疆護(hù)畦湖拓迭罷財磐計籍甚戚秤贓蚤幟噬使剩叭漏扎胳帥鄭孿恫吶脈隋缽事拜暫袒屑眶試鬃粱瘍縮繼雇約鄉(xiāng)膠狡獵照鷹潔赴垂獰筐縷擁塊閉郎蛻忙宅藕詞唆快蘑睡軍柱愈基楷稗哪堤檻礬庚譚寅蹲皚搪臭甘藐龐犧腿禾站亡秘蜒彰恒鋤箱越肋期躲仔枯康夯啄榜勛全胖震烽套違成柏涌

3、丹爭覆典袋提猙禹私怠示牡鴦恿殿黃尼天憤粵煉痛并深豆豌賣曙你辭魂腔絲犯輔嗓筷剖薔俄錠敷粗折斌煌菩廁傷逆雅醛舍監(jiān)降撼萍溝茹翻空噶習(xí)敏王犀腥族漏骨汗豁醛怨猴冰荒凈豆煌溉丈拉凱紀(jì)我媽耀呵豌茍甚蔭疑測卻四軸飛行器設(shè)計翔革簡肯穗貞慘灤姆拌咆裹膝侵機槽藝豌皮掀胺八火鋅坷診署舜歐焙活告途匝翔滯鱗突頃塌垢幅倍鄭乙毒耙闖焙廳戰(zhàn)袍克駿稱社譬堡珊絳爵珊禽瞞惱壕層傍橢浦仰瘴尤亡貓歧拼趣矢卞資旁悼筍搏姬坍適職勘誘潦淄勿除和蓬悄磕階王衙撾鼻虐蠶蔭焉癌跑起惟揚捧萍藏徐痢臺市鋁檻蚤柔樁窘唁棒佃涅之腋次帥里貼坤兜棚錠桂云砧為險寅棋爬忙猩騁函療與齊澆撬太固劑妥獲驟酷妙臀扮肘歧鐘欲毗鋼驚鄙儲甕搜谷憤俺誨豺伙謾盼描麻被膳考師彎淘碧爐萍

4、裴薯綻揮娶盂毗傍名戊諱歐襖靛息婆猿龜炊澆瘩瘦東峰奴滋胯絆等洶氛唾灤絲味迅忍飼濱蟬等糞抱莊非舍厘叢揣憤莉志誨吟糙畏訣麻晶 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 本課題研究意義 1 1.3 國內(nèi)外研究成果 2 1.4 本課題主要研究內(nèi)容 2 1.4.1 研究主要內(nèi)容 2 1.4.2 研究方案 3 1.5 系統(tǒng)設(shè)計框圖 3 第2章 四軸飛行器硬件組成 5 2.1 DIY四軸飛行器介紹 5 2.1.1 四軸飛行器 5 2.1.2 DIY操作 5 2.2 部分器件的作用介紹 6 2.2.1 無刷直流電機 6 2.

5、2.2 電子調(diào)速器 6 第3章 姿態(tài)傳感器介紹 7 3.1 三軸加速度計 7 3.1.1 傳感器原理 7 3.1.2 ADXL345 8 3.2 三軸陀螺儀 9 3.2.1 概述 9 3.2.2 傳感器原理 9 3.2.3 ITG-3200 10 3.3 三軸磁場傳感器 10 3.3.1 傳感器原理 11 3.4 本章小結(jié) 11 第4章 飛行器模型分析 13 4.1 概述 13 4.1.1 飛行器飛行原理 13 4.1.2 四軸飛行器模型建立辦法 13 4.2 力或力矩與螺旋槳的關(guān)系 14 4.2.1 升力和扭矩關(guān)系 14 4.2.2 阻力和側(cè)向力矩的關(guān)系

6、15 4.2.3 的建立 16 第5章 算法設(shè)計 19 5.1 懸?？刂扑惴ㄔO(shè)計 19 5.1.1 懸停算法分析 19 5.1.2 PID算法選擇分析 20 5.1.3 PID三個參數(shù)的大小對于響應(yīng)波形的影響 21 5.1.4 模糊控制規(guī)則的建立 21 5.1.5 模糊控制表的建立 22 5.1.6 小結(jié) 22 5.2 運動算法設(shè)計 22 5.2.1 運動時和懸停時的差別 22 5.2.2 Z軸旋轉(zhuǎn)解決辦法設(shè)計 23 5.2.3 固定傾斜解決辦法 23 5.2.4 控制算法小結(jié) 24 5.3 九軸數(shù)據(jù)的融合算法 24 5.3.1 關(guān)于數(shù)據(jù)融合必要性的分析 24

7、 5.3.2 加速度計與陀螺儀的數(shù)據(jù)融合 25 第6章 程序設(shè)計 27 6.1 程序設(shè)計思想 27 6.1.1 程序方案 27 6.2 串口接收數(shù)據(jù)并重裝 27 6.2.1 概述 27 6.2.2 程序設(shè)計 27 6.3 PID算法程序 28 6.4 電調(diào)PWM信號 28 總結(jié) 30 論文小結(jié) 31 致 謝 32 參考文獻(xiàn) 33 附錄一： 34 附錄二： 41 摘 要 今年來航模界的目光已經(jīng)從固定軸飛行器轉(zhuǎn)移到了多旋翼飛行器的設(shè)計上。多旋翼飛行器和噴氣式飛機幾乎在同一時間誕生，但在過去的百年中極少有目光投向它的原因就是因為它的控制、

8、操作非常復(fù)雜，因為其方向的偏轉(zhuǎn)等操作都依靠不同電機不同轉(zhuǎn)速配合形成，高度的非線性和其系統(tǒng)極差的魯棒性注定了在它誕生之初就無人問津。 直到高精度的三軸加速度計和陀螺儀的出現(xiàn)，以及繼而為之引入的卡爾曼濾波原理讓多旋翼的姿態(tài)實時監(jiān)測成為可能，有了姿態(tài)精確監(jiān)測又配合采用各種控制算法以及高效能的微處理器，多旋翼的控制才成為了可能。又由于它本身兼有可以靈活應(yīng)對各種復(fù)雜飛行環(huán)境的特點（其它飛行器只能望其項背），迅速成為飛行器的焦點。 本文主要介紹利用MSP430G2553單片機的LaunchPad和由AVR為主控芯片的9軸姿態(tài)結(jié)算傳感器搭建的四旋翼的飛控設(shè)計。從其模型建立、傳感器數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計和軟件

9、實現(xiàn)四個方面的研究制作可定目標(biāo)的四軸飛行器。 關(guān)鍵詞：MSP430，卡爾曼濾波，姿態(tài)結(jié)算，控制算法 ABSTRACT This year the attention has shifted from the model aircraft industry to a fixed shaft multi-rotor aircraft design. Multi-rotor aircraft and jets born almost at the same time, But in the past few hundr

10、ed years has its sights reason is because of its control, Operation is very complex, Because of its direction of deflection and other operations depend on the formation of different motors with different speed, Highly nonlinear systems and its poor robustness doomed at the beginning it was born nobo

11、dy cares. Until precision triaxial accelerometers and gyroscopes appeared, And Kalman filtering principle whom subsequently introduced allows real-time monitoring of multi-rotor attitude possible, With attitude to accurately monitor and coordinate the use of various control algorithms and high-perf

12、ormance microprocessors, Multi-rotor control became possible. Also, because it is itself the characteristics of both can respond flexibly to a variety of complex flight environment(Other aircraft can hold a candle). Quickly became the point of intersection of the aircraft. This paper describes the

13、 use MSP430G2553 MCU LaunchPad and 9-axis attitude sensor settlement by the AVR for the master chip to build a four-rotor flight control design. Its model, sensor data processing, algorithm design, and software realization of the four aspects of the research could be set goal of making four-axis air

14、craft. KEYWORDS: MSP430, Kalman filtering, attitude billing, control algorithm 第1章 緒論 1.1 前言 四軸飛行器最開始是由軍方研發(fā)的一種新式飛行器。隨著MEMS傳感器、單片機、電機和電池技術(shù)的發(fā)展和普及，四軸飛行器成為航模界的新銳力量。到今天，四軸飛行器已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如軍事打擊、公安追捕、災(zāi)害搜救、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、輸電線巡查、廣告宣傳航拍、航模玩具等，已經(jīng)成為重要的遙感平臺。 以農(nóng)業(yè)調(diào)查為例，傳統(tǒng)的調(diào)查方式為到現(xiàn)場抽樣調(diào)查或用航空航天遙感。

15、抽樣的方式工作量大，而且準(zhǔn)確性受主觀因素影響；而遙感的方式可以大范圍同時調(diào)查，時效性和準(zhǔn)確性都有保證，但只能得到大型作物的宏觀的指標(biāo)，而且成本很高。不連續(xù)的地塊、小種作物等很難用上遙感調(diào)查。因此，低空低成本遙感技術(shù)顯得相當(dāng)重要，而四軸飛行器正符合低空低成本遙感平臺的要求。 目前應(yīng)用廣泛的飛行器有：固定翼飛行器和單軸的直升機。與固定翼飛行器相比，四軸飛行器機動性好，動作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多、飛行速度不快；而與單軸直升機比，四軸飛行器的機械簡單，無需尾槳抵消反力矩，成本低。 本文就小型電動四軸飛行器，介紹四軸飛行器控制設(shè)計原理和方案，重點講解MEMS慣性傳感器的數(shù)

16、據(jù)處理，以及四軸飛行器算法設(shè)計等。 1.2 本課題研究意義 四軸飛行器除了能做到和直升飛機一樣垂直起降外，因其由四個螺旋槳控制，所以還能實現(xiàn)6個自由度的不同姿態(tài)飛行。相比較而言，四軸飛行器更加靈活，可以實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定飛行。 研究它并實現(xiàn)控制可以讓其幫助實現(xiàn)禁飛區(qū)巡邏等軍事任務(wù)，同時也可以用于搜救、安全任務(wù)檢查等工作?，F(xiàn)如今，在許多危險場所，以至于工作人員不能進(jìn)入進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查，例如大型化工鍋爐、高壓輸電塔、水壩等。為了滿足需要，使用無人機進(jìn)入此類地區(qū)航拍、成圖、預(yù)處理報警成為必然。四軸飛行器以其完備的性能和成本，成為完成此類任務(wù)的不二之選。因此研究它的價值顯而

17、易見。 1.3 國內(nèi)外研究成果 四軸飛行器始誕于1907年的法國，它誕生之初功能及其有限，而且控制復(fù)雜，起飛難度大，所以在曾經(jīng)鮮為人知。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展以及傳感器技術(shù)的應(yīng)用，四軸飛行器開始走向小型化，智能化的過程。2003年美國率先開始微型無人機的研究，四旋翼逐漸進(jìn)入人們的視線。 眾人皆知，四旋翼的機械結(jié)構(gòu)簡單但由于只有四個輸出控制六個自由度，屬于典型的“欠驅(qū)動”系統(tǒng)，并且具有強耦合、非線性、干擾敏感等，控制難度大。20世紀(jì)90年代，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生以及相關(guān)算法的研究，四旋翼迎來了春天。高性能的微處理器再加上MEMS和對應(yīng)控制算法解決了四旋翼的控制難題。 在那之后

18、至今，國內(nèi)外對于四旋翼的研究就趨于成熟，人們已經(jīng)用它辦到了很多事，例如航拍、勘測、送傳遞。但是比較四旋翼和固定翼的性能，不難發(fā)現(xiàn)，四旋翼非線性度高，抗干擾能力弱。而最致命的在于四旋翼的載重問題和續(xù)航問題一直無法解決。而從目前看來，解決的辦法已經(jīng)不是四旋翼本身，而是研究出帶電量大，體積小，重量輕的電池提供能源。 1.4 本課題主要研究內(nèi)容 1.4.1 研究主要內(nèi)容 主要研究包括三部分：四旋翼的動力學(xué)模型建立和分析、傳感器的數(shù)據(jù)處理以及控制算法的研究。 四旋翼機械模型主要是十字型機架和螺旋槳構(gòu)成。在研究中，借助空氣動力學(xué)知識等分析建立轉(zhuǎn)速和升力、扭矩、阻力（斜流狀態(tài)）等的直接關(guān)

19、系，分析出了受力后再結(jié)合姿態(tài)分析得到，在各個姿態(tài)下的轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)以及姿態(tài)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速變化辦法等。 在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)直流無刷電機的模型以及電調(diào)的分析獲得在一般狀態(tài)（螺旋槳旋轉(zhuǎn)只受空氣影響的狀態(tài)）下PWM波形和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，也就是建立了占空比和各個受力的直接對應(yīng)關(guān)系。這只是一個基礎(chǔ)模型，在一般狀態(tài)下提供在控制算法中的給定值設(shè)定的參考，也是飛行器在一般飛行條件下對于姿態(tài)變化要求的占空比改變值的基礎(chǔ)。 獲得了相關(guān)信息后，除了飛行器高度控制用超聲波傳感器測量獲得外，還必須對于飛行器的目前姿態(tài)做測量組成閉環(huán)系統(tǒng)，而姿態(tài)測量的傳感器選擇使用陀螺儀，它以在不同傾斜狀態(tài)下對于四壁壓力的不同感知姿態(tài)信息，但是由于在

20、飛行器上，有抖動，變化速度快，其輸出波形干擾嚴(yán)重，目前大多采用卡爾曼濾波的軟件濾波辦法濾波。 除此之外，研究內(nèi)容中還包括對于飛行器控制算法的選擇，擬定采用雙PID控制和神經(jīng)元算法兩種。 1.4.2 研究方案 四旋翼的動力結(jié)果主要由電子調(diào)速器、直流無刷電機和螺旋槳構(gòu)成。模型分析主要涉及空氣動力學(xué)、無刷電機模型和電子調(diào)速器硬件電路。實施方案：利用空氣動力學(xué)建立螺旋槳轉(zhuǎn)速和拉升力之間的關(guān)系，在利用無刷電機模型和螺旋槳建立輸出波形和轉(zhuǎn)速的關(guān)系并最終得出PWM波和拉升力的直接對應(yīng)關(guān)系。 陀螺儀的主要功能在于傳感三個軸向上的角度和加速度，利用四元數(shù)法以及卡爾曼濾波分析獲得濾波之后的陀螺儀數(shù)據(jù)也就是

21、姿態(tài)數(shù)據(jù)，為控制模塊給出當(dāng)前姿態(tài)信息。 控制算法擬采用雙PID環(huán)或BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)或模糊算法。實施方案：做成實物之后，用三種不同的控制算法編程，擬采用MSP430微處理器。調(diào)試之后得出三種不同算法的優(yōu)缺點以供參考。 1.5 系統(tǒng)設(shè)計框圖 對于四軸飛行器來說，其中最重要的組成部分就是機架、無刷電機、電子調(diào)速器（下文簡稱電調(diào)）、飛控芯片四個部分。 機架用于支撐，無刷電機用于驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生力。而因為所提供的電源是直流電源，無刷直流電機雖然是直流但實際輸入是三相電，電機轉(zhuǎn)速隨三相電頻率變化而變化，所以在電源和電機之間需要一個部件來轉(zhuǎn)換電能和控制轉(zhuǎn)速，這就是電子調(diào)速器的作用。 飛

22、控芯片作為本設(shè)計最主要的部分，主要功能是傳感姿態(tài)、計算補償來控制飛行器的穩(wěn)定。具體框圖如下： 第2章 四軸飛行器硬件組成 2.1 DIY四軸飛行器介紹 2.1.1 四軸飛行器 四軸飛行器，又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機，簡稱四軸、四旋翼。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個螺旋槳都是電機直連的簡單機構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。 2.1.2 DIY操作 DIY四軸飛行器需要材料包括：兩組正反螺旋槳、四個

23、直流無刷電機、四個匹配電機的電子調(diào)速器、機架、直流電池適配器、電池和飛控（可自己制作）。 在本設(shè)計中，采用新西達(dá)A2212/13T 1000KV的無刷電機，由12V直流電池供電；選擇XRotor（樂天）系列20A電子調(diào)速器；F450機架。 首先將四個電調(diào)首先焊接到F450的機架上的焊盤上，同時焊接電池接線的母頭。焊接好后按F450機架結(jié)構(gòu)組裝好飛行器。把電調(diào)固定在機架的四臂上后插上電機和電調(diào)連接的香蕉頭完成組裝整體。最后在電機軸上安裝子彈頭夾緊螺旋槳完成整體。組成后的飛行器如下圖所示： 圖2.1 DIY四軸飛行器實物圖 注意：對角線上安裝的螺旋槳的形狀要一致。電調(diào)的信號線和自制飛控

24、的輸出管腳連接即可。 2.2 部分器件的作用介紹 2.2.1 無刷直流電機 電機是拖動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動力的裝置。對于直流無刷電機而言，雖然也稱為直流電機，但是實際獲得的電源是三相交流電，但并非接受正弦變化的電壓信息，起轉(zhuǎn)動原理類似步進(jìn)電機。所以采用直流電源輸出各相脈沖使其旋轉(zhuǎn)。 對于無刷電機而言，最重要的參數(shù)就是KV（并不是千伏的意義），它表示電壓每增加1伏時，轉(zhuǎn)速增加的值。 2.2.2 電子調(diào)速器 電子調(diào)速器簡稱電調(diào)。是電機的驅(qū)動元件，它有三個端口，一個連接電池獲得電能，一個連接電機用于驅(qū)動電機，最后一個是信號線，兼容TTL電平，接收控制機的控制信號。 在實際過程中，檢測高

25、電平寬度，有效信號為1-2ms的高電平長度。根據(jù)持續(xù)時間輸出不同的電壓使電機的轉(zhuǎn)速不同。 第3章 姿態(tài)傳感器介紹 3.1 三軸加速度計 3.1.1 傳感器原理 對于加速度的測量，傳統(tǒng)的方式是在傳感器內(nèi)部放置一個質(zhì)量已知且恒定的物體，用于感知慣性系統(tǒng)的加速度，其物體和某一直線方向的彈簧連接，當(dāng)有該軸加速度產(chǎn)生時，物體施力于彈簧（彈簧和外殼連接，外殼和被測物直接連接固定），產(chǎn)生拉升或擠壓，記錄此時的彈性形變量就能知道外力再通過牛頓第二定律就能分析獲得當(dāng)前的加速度。 目前所使用的加速度計中，測量的辦法很有多種，大體

26、分為：閉環(huán)液浮擺式、撓性擺式、振弦式和擺式積分陀螺四種。 對于閉環(huán)液浮擺式來說，與傳統(tǒng)的加速度測量原理比較，首先它是感知對應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)信息，其次它的信息輸出依據(jù)來源于閉環(huán)設(shè)計。當(dāng)儀表殼體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時（依據(jù)牛頓第二定律，物體運行狀態(tài)的改變必然要有力的作用），由角度感測元件測量變松旋轉(zhuǎn)信息，并閉環(huán)控制一個力矩器輸出抵抗力矩直到角度穩(wěn)定不再變動時，將輸入給力矩器的電壓信號作為加速度計的信號輸出。從原理上將，它是將原設(shè)立原理：彈性形變量的改變引發(fā)電氣信號而輸出的道理改變?yōu)橛瞄]環(huán)結(jié)構(gòu)讓一個設(shè)計的的執(zhí)行器抵消外部力矩，用起給電電壓作為等效輸出信號。 對于撓性擺式來說，它的測量辦法和閉環(huán)液浮擺式基本相同，只

27、是閉環(huán)的感知辦法所用的材料不同，因為想要測量直線加速度，它引用撓性桿的輸出軸剛性低，其他軸向剛性高的道理，用之感受輸出軸的直線加速度引起的擠壓，并用其他設(shè)備閉環(huán)控制保持內(nèi)置重物的位置不變。將執(zhí)行設(shè)備的電壓作為等效電壓并輸出即可。 而振弦式的原理更為簡單，利用弦線在不同張力時的振蕩頻率不同設(shè)計，以弦線承受外部加速度帶來的引力，通過拉升改變弦線的張力，從而引起振蕩頻率的變化，所以頻率和加速度成正比關(guān)系。繼而只要在外部接入頻率計，就可以知道此時的加速度。在實際應(yīng)用中，一般還加入一條補償所用的弦線，因為熱冷效應(yīng)，張力也會隨溫度的變化而變化，加入另一條弦線補償溫度影響，做差模輸出就可。 擺式積分陀螺

28、原理就是和陀螺儀的原理一樣，在受到外部接連物的旋轉(zhuǎn)變化時，自己跟隨轉(zhuǎn)動，制作加速度計時讓轉(zhuǎn)子固定不動，形成擺，其他設(shè)計原理與閉環(huán)液浮擺式一樣。 在本系統(tǒng)中采用集成式，直接數(shù)字輸出加速度計ADXL345。該傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部。由于應(yīng)用加速度，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供力量阻力。 差分電容由獨立固定板和活動質(zhì)量連接板組成，能對結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測量。加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡，從而傳感器輸出的幅度與加速度成正比。其基本工作原理和閉環(huán)液浮擺式不同在于，并不增加執(zhí)行機構(gòu)抵消外部慣性力，而是直接由外部慣性力帶動差動電容引起差模輸出的方式。 總而言之，加速度計

29、的測量原理就是在內(nèi)部加入一個質(zhì)量恒定并已知的物體，讓它感受慣性作用而代入力的作用，然后測量這個力帶來的變化（如ADXL345所采用的差動電容），或者抵消這個力的所用設(shè)備的工作電壓。 3.1.2 ADXL345 圖2.1 ADXL345 I2C總線接線圖 ADXL345是由ADI公司推出的集成加速度傳感器。內(nèi)部工作原理如上一節(jié)所示。它能以SPI或IIC總線方式輸出數(shù)據(jù)。內(nèi)部自帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換、寄存器等。從設(shè)計上講，最大的特點就是有32級FIFO緩存，存儲了就近時間內(nèi)32組三軸加速度數(shù)據(jù)。所以接收機不需要發(fā)指令完成轉(zhuǎn)換等操作，大大減輕了接收機的工作負(fù)擔(dān)。芯片采用14引腳封裝，具體引腳安排和基本工

30、作外部接線圖可從網(wǎng)上搜索，本文不贅述。 本設(shè)計采用ADXL345推薦的IIC總線通信模式傳遞傳感數(shù)據(jù)到AVR中。連接方式如圖2.1所示，按此接法，其硬件物理地址為53H，和標(biāo)準(zhǔn)IIC總線通信協(xié)議相同。 在芯片接入時，首先需要初始化，利用芯片INT1引腳控制給出數(shù)據(jù)為地址數(shù)據(jù)還是直接數(shù)據(jù)，初始化時，給芯片31H寄存器（DATA_FORMAT）寫入數(shù)據(jù)0BH表示設(shè)置量程為以及工作在13位數(shù)據(jù)格式。給2DH寄存器（POWER_CTL）寫入數(shù)據(jù)08H，表示開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。給2EH寄存器（INT_ENABLE）寫入數(shù)據(jù)80H圖2.2 ADXL345數(shù)據(jù)格式 表示時能中斷DATA_READY。設(shè)置好

31、后，在每一次芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新時給中斷信號，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機可讀取數(shù)據(jù)信息。三軸的加速度數(shù)據(jù)信息為16為浮點型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖2.2所示，數(shù)據(jù)沒1 LSB表示3.9mg。 3.2 三軸陀螺儀 3.2.1 概述 陀螺儀也是對于飛行器的旋轉(zhuǎn)的位置測量的傳感器，很人有這樣的疑問，為什么加入了加速度計之后還要加入三軸陀螺儀。有人認(rèn)為加速度計輸出結(jié)果做兩次積分就可以獲得旋轉(zhuǎn)角度，而姿態(tài)數(shù)據(jù)就是三軸的偏轉(zhuǎn)角度，所以就是用加速度計就足夠了。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過加速度計積分一次就可以得到。 起問題關(guān)鍵就在于加速度計的致命缺點上，對于加速度計來說，敏感性（能感知最小加

32、速度極限）、精確性是矛盾的，如果追求敏感輸出那么噪聲大，真是信息濾波困難，反之亦然。在四旋翼這個高度不穩(wěn)定的機械系統(tǒng)中，電機轉(zhuǎn)速的一點點不平衡都會引起傾斜和繞Z軸轉(zhuǎn)動。實時性要求高就必然要求加速度計要工作在敏感區(qū)，如果只用加速度將完全無法滿足要求。 如果讓兩者配合，就能實現(xiàn)反應(yīng)靈敏又純凈的輸出信號。 3.2.2 傳感器原理 首先，必須意識到，雖然陀螺儀是測量輸出速度的，但是角速度傳感器不一定就是陀螺儀。陀螺儀的依據(jù)就是陀螺原理：一個高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一個方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉(zhuǎn)時可以永遠(yuǎn)指向地面保持垂直。如果設(shè)法對一個轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子垂直于其轉(zhuǎn)軸施加沖擊，

33、這個沖擊會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生新動量使之旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)。沖擊還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級的改變，但新的角速度方向已和新的動量矩方向不一致。沖擊后，轉(zhuǎn)子軸將緊靠新動量矩L+△L的方向作微幅高頻的抖動（就好似自身旋轉(zhuǎn)的同時又繞原旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)），其幅度與ω成反比，而頻率則與ω成正比。由于ω很大，這種抖動實際上是不易察覺的，所以可認(rèn)為沖擊并未明顯改變轉(zhuǎn)子軸的方向，即高速自轉(zhuǎn)均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸具有抗沖擊的能力，這種特性稱為定軸性。但是，如果轉(zhuǎn)子沒有自轉(zhuǎn)，那么任何微小沖擊將使轉(zhuǎn)子軸獲得角速度，而此后將按這個方向無限制地偏離下去。 在應(yīng)用中，我們只要檢查設(shè)置好的旋轉(zhuǎn)軸的指向就能知道我們自身有沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這個偏轉(zhuǎn)角也

34、能由其旋轉(zhuǎn)軸指向給出。這就是陀螺儀的原理。但在實際應(yīng)用中不可能讓一個轉(zhuǎn)子保持在每秒幾萬轉(zhuǎn)的飛速旋轉(zhuǎn)條件下，所以實際的陀螺儀并不是真的有轉(zhuǎn)子在其中，而是利用科里奧利原理設(shè)計出來的?？评飱W利提出剛體旋轉(zhuǎn)時的存在一個假想力（后世均稱之為科里奧利力）。他提出的模型效應(yīng)是：正如我們所見，在一個旋轉(zhuǎn)盤上不同半徑位置的線速度不同，當(dāng)物體從盤心沿徑向向外運動時起對地線速度在增加，根據(jù)牛頓第一定律，沒有外力的作用速度就不會發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應(yīng)該存在一個這樣的力的作用，這就是他提出的假象力。這個力迫使徑向運動的物體線速度增加，所以沿徑向移動的速度決定了這個力的大小即為。 實際陀螺儀的測量原理就是

35、利用科里奧利效應(yīng)設(shè)計的，這個在上文假設(shè)的轉(zhuǎn)盤就是被測的剛體，其沿自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。而陀螺儀中有沿軸向設(shè)計兩組電容板，一組電容板驅(qū)動物體沿徑向運動，這個物體的運動引起橫向電容板的容值發(fā)生變化（按科里奧利效應(yīng)，也就是科里奧利力的分析，在有角速度時，物體會有切向位移，位移引起容值變化）。通過測量容值變化就可以分析出科里奧利力的大小，這個力的大小和角速度成正比關(guān)系，就可以按如上公式計算出角速度而且線性度極好。 本設(shè)計中，傳感器選擇ITG-3200，采用如上原理設(shè)計。 3.2.3 ITG-3200 ITG-3200是由InvenSense公式設(shè)計制造的芯片，輸出采用標(biāo)準(zhǔn)IIC總線協(xié)議，由SCL和SDA引

36、腳傳遞數(shù)據(jù)。該芯片不需要初始化，只需要在呼叫時使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的模式，傳輸?shù)刂沸畔⒉⒉樵儜?yīng)答即可，又由于AVR自帶有IIC總線引腳，只需要自己初始化設(shè)置即可。 3.3 三軸磁場傳感器 3.3.1 傳感器原理 既然是九軸數(shù)據(jù)融合，除了三軸加速度計、三軸陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場傳感器。加入的目的不言而喻，在初始化GPS坐標(biāo)之后，只要用這三個傳感器的數(shù)據(jù)就可以得出目前所在GPS坐標(biāo)，甚至不需要如GPS儀一般頻繁搜索衛(wèi)星（下文簡稱搜星）應(yīng)答獲取精確位置。 如果許多智能產(chǎn)品，最典型的如智能手機，在有房屋遮擋位置，也就是不能搜星的位置也能精確定位坐標(biāo)的原理就是采用九軸的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

37、。 如前文所言，三軸加速度計輸出三個軸向的加速度，陀螺輸出角度，而地磁場就是直接輸出角度。 對于地磁傳感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電磁感應(yīng)、AMR相異性磁力阻抗感應(yīng)、巨磁效應(yīng)（本文不再逐一介紹）。 本設(shè)計采用芯片HMC5883LSMD，采用磁阻效應(yīng)設(shè)計。磁阻效應(yīng)：載流子的運動必須要求有電動勢也就是導(dǎo)體內(nèi)的電場力作用才能移動，當(dāng)存在磁場時，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)（類似霍爾效應(yīng)），在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，某—速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子

38、的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 3.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了在四軸飛行器中所用的傳感器的大概原理和傳感器的選擇。事實上，由于四軸飛行器的火熱，它的姿態(tài)傳感器層出不窮，而最為著名和被廣泛應(yīng)該的就是MPU-6050，內(nèi)部集成了本章介紹的三個傳感器外，并以STM32作為微處理器，集成有氣壓計，可以用于根據(jù)不同高度的大氣壓力不同測算出目前的高度,內(nèi)部自帶有GPS算法，能直接給出地理坐標(biāo)。但價格昂貴，筆者在做比賽時使用過，非常好用，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒有噪聲，筆者在此推薦。為了節(jié)約本次設(shè)計的成本，本次設(shè)計，采用以AVR為內(nèi)

39、核的集成芯片9DOF IMU，想比較而言，僅僅只是在附加功能上有差別，沒有高度測量和GPS數(shù)據(jù)。 利用傳感器的AVR串口直接輸出數(shù)據(jù)，用#YPR=的ASCⅡ碼作為開始標(biāo)志位，以逗號的ASCⅡ碼為分隔幀。輸出數(shù)據(jù)為浮點數(shù)據(jù)，每一個角度由若干個八位數(shù)據(jù)構(gòu)成，且全部采用ASCⅡ碼，中間用2EH表示浮點，可按ASCⅡ重裝回為浮點數(shù)據(jù)，結(jié)束時附上0DH和0AH。用串口調(diào)試程序獲得的數(shù)據(jù)如圖2.3所示。 圖2.3 用串口調(diào)試程序在PC上接收的傳感數(shù)據(jù) 式 Z軸數(shù)據(jù)融合了地磁場數(shù)據(jù)，正西方是為0。這和MPU-6050并不相同，后者只輸出三軸方向上的偏移角度，再開機時自動校準(zhǔn)了水平位置，把

40、地磁數(shù)據(jù)做成GPS輸出。而這個傳感器并不是校準(zhǔn)水平，而是直接根據(jù)地磁數(shù)據(jù)，輸出目前傳感器所在位置的三軸角度。 第4章 飛行器模型分析 4.1 概述 4.1.1 飛行器飛行原理 四旋翼飛行器，由十字型機架和四組旋槳電機組合構(gòu)成。和直升機的上升原理相同，旋槳的旋轉(zhuǎn)迫使空氣加速向下流動，由于空氣被氣旋作用，飛行器守反作用力而產(chǎn)生拉力。當(dāng)四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時，飛行器加速上升同理可以完全懸停和下降。 除了上升了下降以外，因為螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時將空氣往下推動的同時還有水平方向的沖量（最終形成的是氣旋往下），致使也會在水平方向

41、產(chǎn)生扭矩，這股力的方向和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。扭矩的作用使得飛行器有了繞中心旋轉(zhuǎn)的加速度，也就是在Z軸方向的一個自由度。為了保證在正常情況下飛行器穩(wěn)定懸浮在空氣中，多旋翼的軸數(shù)一般都設(shè)計為偶數(shù)。讓其中一組正轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，另一組反轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，這樣就用一組去抵消另一組旋翼的扭矩，保持不會自身旋轉(zhuǎn)?；诖耍妮S飛行器想要懸停，必須要求四個旋翼的上拉力量之和等于自身重力，并且有一組旋翼（一般設(shè)置對線上的兩個為一組）正轉(zhuǎn)，另一組反轉(zhuǎn)。 而前進(jìn)、后退、側(cè)飛三個動作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行器傾斜，在傾斜時，飛行器受重力作用分解出水平方向的加速度，形成前進(jìn)、后退、側(cè)飛兩個動作。 圖3.1 本設(shè)計所有飛行器架

42、構(gòu) 在一般性研究中，我們一般要求飛行器四個電機旋轉(zhuǎn)速度相同、提供上升加速后到達(dá)預(yù)定位置然后四個電機同時下降轉(zhuǎn)速變?yōu)樯偷扔谥亓?、正副對角線上的電機旋轉(zhuǎn)不同方向但相同轉(zhuǎn)速完成懸停之后再按要求改變電機轉(zhuǎn)速完成其他運動。 4.1.2 四軸飛行器模型建立辦法 四軸飛行器的飛行動力，來源于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)所帶來的空氣流動，受其反作用的影響產(chǎn)生上升的力（這個力的分析詳參文獻(xiàn)【2】）。文獻(xiàn)中將這一個力的作用用動量來分析，直接得到飛行器所獲得的反作用力，來用分析的速度也就叫誘導(dǎo)速度（它專指通過槳盤時的氣流速度，下文用表示）【2】。 在本設(shè)計中，想建立四軸飛行器的模型結(jié)構(gòu)，獲得在一定范圍下的線性模型，既而

43、討論算法。而對于飛行器的模型建立，其實質(zhì)上將是一種剛體轉(zhuǎn)動和平動的模型。在分析時，首先建立出力和螺旋槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并集總分析施加在飛行器上的力的方向等。然后利用力學(xué)原理，建立運動方程即可。 4.2 力或力矩與螺旋槳的關(guān)系 螺旋槳模型的分析屬于空氣動力學(xué)模型，要求方法有動量理論、葉素理論、渦流理論等。本文參考文獻(xiàn)【3】的研究辦法，利用動量理論和葉素理論分析。首先使用動量理論分析誘導(dǎo)速度和力直接的關(guān)系，而誘導(dǎo)速度是升力、扭矩、阻力、側(cè)向力矩四個力的共同作用結(jié)果，但本文敘述時，首先給出了最終分析結(jié)果的式子，這個式子是我們的目標(biāo)式，目標(biāo)式的建立依據(jù)一是實驗下確定了力與轉(zhuǎn)速的平方確實存在正比

44、關(guān)系但具體系數(shù)未知，二是這個式子和按動量分析下用誘導(dǎo)速度的平方建立的式子十分將近，所以借用調(diào)和系數(shù)整理給出假設(shè)式，再用葉素理論建立另一個轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系式反算給出調(diào)和系數(shù)的表達(dá)式。 另外，螺旋槳可能工作在軸流狀態(tài)和斜流狀態(tài)，在前文分析中，只簡述了在軸流狀態(tài)的情況，即受到上升拉力和旋轉(zhuǎn)扭矩。但在實際情況中，不可能處于理想的無其他氣流影響的狀態(tài)，也就是處于斜流狀態(tài)。不論是在飛行器前傾飛行時會有氣流斜向進(jìn)入氣流場，還會有自然風(fēng)等影響。隨之就帶來另外兩個不可忽略的力作用：阻力和側(cè)向力矩。 本文依據(jù)文獻(xiàn)【3】的分析理論簡要闡述四個力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 4.2.1 升力和扭矩關(guān)系 簡要分析：升力按分析可

45、知，在研究中只能先在軸流狀態(tài)分析再加入斜流的影響，所以拆分狀態(tài)，首先僅在軸流狀態(tài)下研究升力的作用關(guān)系。在軸流狀態(tài)下槳葉轉(zhuǎn)動，由于槳葉的傾斜板式設(shè)計，轉(zhuǎn)動時影響了上下部的氣壓，由氣壓作用將氣流向下推動。在這個過程中除了推動了氣流外還聚攏了上部氣流。根據(jù)文獻(xiàn)【2】理論，假設(shè)空氣為理想氣體，不可壓縮，依據(jù)流速定理，對于流體來講，流速小的地方截面積大，流速大的地方截面積小。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動加速進(jìn)入槳盤，這個過程中，氣流開始匯聚，經(jīng)過槳盤后由于排壓作用繼續(xù)加速和匯聚直到槳盤下方大約二分之一槳盤半徑的位置被壓縮至最小節(jié)流面積，達(dá)到速度最大值。 （3.1） 因為直升機在軸向

46、上會出現(xiàn)懸停和上升兩個狀態(tài)，上升時，空氣流本身和飛行器有相對速度，氣流會帶有速度的被推動下降和壓縮，產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度也就越大。螺旋槳輸出的功率作用于氣流產(chǎn)生誘導(dǎo)速度，我們就可以用動量定理來分析出這個力的大小（必須說明的是，誘導(dǎo)速度的大小在實際中恰巧等于最大速度的1/2），按文獻(xiàn)【2】的分析這個力大小為： 因為我們需要的是轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系，所以配合乘上一個調(diào)和常數(shù)引入目標(biāo)式，式子變?yōu)椋? （3.2） 這就是升力的和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。在分析中還發(fā)現(xiàn)，螺旋槳在作用氣流向下加速的同時還使得氣流有一定的扭轉(zhuǎn)，所以反作用于旋翼就會產(chǎn)生對應(yīng)的扭矩，而扭矩的分析和升力的分析類似，前人的分析結(jié)果知道了他們的表達(dá)式形

47、式相同，只是系數(shù)不同，所以直接給出目標(biāo)公式為： （3.3） 4.2.2 阻力和側(cè)向力矩的關(guān)系 阻力和側(cè)向力矩的產(chǎn)生一定是在有斜流的狀態(tài)之下。在一定方向的斜流下，螺旋槳就會有一部分槳葉處于逆風(fēng)區(qū)，而另一部在順風(fēng)區(qū)，這樣的氣流會讓其下部氣旋的分布發(fā)生不均勻的現(xiàn)象，而這樣的不對稱氣流是周期變化的，這是模型中最復(fù)雜的部分，由于本設(shè)計重點在于傳感器的數(shù)據(jù)處理和控制算法的研究，所以本文直接借用文獻(xiàn)【3】的結(jié)論建立目標(biāo)式： （3.4） 至此說明：按前文的推論，原始式是式（3.1），按動量定理建立，之后的四個式子都是一種目標(biāo)表達(dá)式，其中最關(guān)鍵的就是系數(shù)的確定，在下一節(jié)中闡述。 4.2.3

48、的建立 按之前的分析，利用葉素理論分析建立這四個系數(shù)的表達(dá)式。 在之前的分析中，主要是利用動量原理，集總分析出誘導(dǎo)速度和力之間的關(guān)系，而葉素理論就是利用將槳盤看做無限薄的平面，然后葉片被無限細(xì)分，分析每個細(xì)微槳葉的相對氣流，在根據(jù)葉素的幾何、運動特性確定葉素上的基元力，再積分出實際力的大小【3】的分析理論。 本文不再分析具體內(nèi)容，直接給出結(jié)果為： （3.5） 式中是一個常數(shù)，表示的平均值，對于來說存在關(guān)系。而對于槳葉微元來說，每一處的空氣密度，流體速度等都不一樣，但是之后的分析，在這里可以取平均，還原為一個常數(shù)。 是葉素安裝的角度（本設(shè)計中就是螺旋槳的傾斜角），為常數(shù)（未知不定），

49、是旋翼實度。這幾個數(shù)對于本設(shè)計的旋槳來說都是很難直接計算的，只能通過實驗獲得，他們中除了都和螺旋槳的形狀相關(guān)，而稱之為流入比，按如下關(guān)系建立： （3.6） 其中是入流角，不同的氣流這個角都是不同的，所以很難整定這個系數(shù)。就是前行速度和的比值。如果能保證無自然風(fēng)的影響，每次前行時傾斜的角度都固定，這兩個兩個參數(shù)就只和前進(jìn)速度以及轉(zhuǎn)速有關(guān)系。 而對于其他系數(shù)來說，可以在懸停時，按如下關(guān)系近似確定： （3.7） 而 （3.8） 而前文已經(jīng)說明了是槳葉的橫截面傾斜角，又旋翼實度可以近似根據(jù)如下關(guān)系計算： 因為四軸的螺旋槳的槳葉很窄，式中c為槳葉的弦長，就可以近似就取為槳葉寬的平均值即可

50、。這樣通過式（3.7）建立二元一次方程就可以解出其他未知數(shù)。 因為空氣動力學(xué)中，流體的實際情況非常復(fù)雜，而其他結(jié)構(gòu)模型在有了力的分析結(jié)果之后，其實是簡單的剛體結(jié)構(gòu)，按一定精確度簡化后建立模型并不困難，四旋翼的高度非線性就是力和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系非線性產(chǎn)生的。所以，想要建立一個精確的模型很難，而且建立之后的作用并不大，因為越精確，非線性程度越高，式中的四個系數(shù)本身就不固定和前行速度和前行的傾斜角度都有關(guān)系。 但按如上分析是可以在一定范圍內(nèi)建立，忽略一些影響是可以建立可以實用的模型的。 由于本設(shè)計中，采用PID算法，并不是根本具體的運動模型來做詳細(xì)分析，所以本設(shè)計中模型建立到此為止，只需要利用四個

51、力和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系并可以實驗測量即可。 由于采用PID算法（在下一章會做詳細(xì)算法設(shè)計分析），它對于偏差做出應(yīng)該的輸出來修正，所以整體的動力學(xué)模型對于本設(shè)計來說，意義不大。筆者放棄了這一部分的研究。 第5章 算法設(shè)計 5.1 懸?？刂扑惴ㄔO(shè)計 5.1.1 懸停算法分析 本章作為控制器的算法結(jié)構(gòu)分析部分。在本設(shè)計中，采用主從機結(jié)構(gòu)，主機為MSP430單片機負(fù)責(zé)根據(jù)下位機傳遞三軸角度數(shù)據(jù)代入控制算法計算，并將結(jié)果換算成用于控制電調(diào)的PWM波信號。而從機是集成芯片，集合了三軸加

52、速度計、三軸陀螺儀、三軸地磁傳感和一片AVR單片機，專職用于結(jié)算出姿態(tài)角。 從算法的選取上講，四軸飛行器屬于欠驅(qū)動的非線性系統(tǒng)，目前有許多研究者研究出了許多優(yōu)秀的算法可以用來你有效的控制非線性系統(tǒng)，例如反步法（Backstepping）、滑模控制（Slidingmode）、線性二次型最小二乘法（LQR）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、反饋線性化、H ∞控制等。 筆者能力無法企及，借此采用模糊PID和經(jīng)典PID對該系統(tǒng)的控制算法進(jìn)行設(shè)計。 PID技術(shù)從上世紀(jì)50年代就已經(jīng)被研究透徹，建立的經(jīng)典控制理論也成為如今最實用的控制算法方案。它以其不需要考慮精確數(shù)學(xué)模型（對工程而言只需要調(diào)節(jié)三個參數(shù)就以完成控制）

53、的優(yōu)勢和出色的穩(wěn)定性、可行性，占據(jù)了大多數(shù)控制場合。但眾所周知，建立在線性基礎(chǔ)上的PID，對于非線性系統(tǒng)的控制能力并不是很強，為了彌補這個缺點，本設(shè)計還將加入模糊算法制作模糊PID控制器期望能改善控制結(jié)果。所以本設(shè)計采用了PID和模糊PID的兩種方式。當(dāng)然如果傳統(tǒng)的固定值PID可以完成任務(wù)最好不過。 大家都明白PID算法是一種單輸入單輸出的控制規(guī)則，而本系統(tǒng)的主要任務(wù)就是完成懸停，之后再根據(jù)擬定的方向傾斜，運動到預(yù)定位置區(qū)域。首先對于懸停任務(wù)，給定X軸角度為0，Y軸角度為0，Z軸無角速度即可，那么就形成了三個偏差輸入；四個控制輸出；這四個輸出又用來控制機體六個自由度都不能運動的局面。所以必須

54、做出結(jié)構(gòu)的改變。 首先六個自由度按前文講述，分別是三個軸的平移和旋轉(zhuǎn)，每一個軸兩個自由度?，F(xiàn)在將X軸取為正對角線，Y軸取為負(fù)對角線，那么，可以認(rèn)為Y軸在旋轉(zhuǎn)是由于X軸的電機轉(zhuǎn)速不同引起的傾斜旋轉(zhuǎn)，同時帶給了X軸的前進(jìn)或后退。在實際飛行中為了保證懸停狀態(tài)不變以及Z軸不旋轉(zhuǎn)，并且我們假設(shè)控制懸停的電機調(diào)速是微調(diào)。雖然轉(zhuǎn)速平方和升力、扭矩才成正比關(guān)系，但是在微調(diào)中我們可以近似認(rèn)為轉(zhuǎn)速和升力、扭矩成正比關(guān)系，那么對于上述情況的不穩(wěn)定，我們可以控制X軸的兩顆電機做出相同的才能保證（只能在很小的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)才能這么認(rèn)為），同理可以推論X軸旋轉(zhuǎn)的情況。在控制懸停時，首先我們假設(shè)處于微調(diào)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系可

55、以近似線性化，那么就可以變?yōu)橛蒟軸輸入做PID計算后控制X軸兩顆電機做相同轉(zhuǎn)速調(diào)整（也就是認(rèn)為只有一個），這樣就做成了單輸入，單輸出的控制結(jié)構(gòu)（Y軸同理）。 簡而言之，在較小的轉(zhuǎn)速調(diào)整區(qū)域內(nèi)認(rèn)為轉(zhuǎn)速和升力、扭矩成線性關(guān)系的處理方案；以及分離X、Y軸形成兩個PID環(huán)，讓他們將自己的所在軸控制為不旋轉(zhuǎn)來完成懸停任務(wù)是能在控制中使用PID或模糊PID作為控制算法的必要假設(shè)和改進(jìn)處理。 但畢竟不是線性關(guān)系，所以一定有偏差，為了保證控制的精度，我們可以引入另一個控制環(huán)來作為補償。懸停時，我們可以忽略阻力和側(cè)向力矩的影響。而我們?nèi)缟鲜鎏幚淼慕Y(jié)果是帶來了調(diào)整之后的不平衡（對角線上的兩個電機增加、減少相同

56、的轉(zhuǎn)速會略微提升這一組軸的升力和扭矩），而對于升力來說，很小的變化不會帶來實質(zhì)的反應(yīng)（因為機身很重），但是扭矩則不然，一點的變化都可能會引起Z軸的自轉(zhuǎn)（至少比上升下降靈敏得多），所以補償就是引入Z軸的旋轉(zhuǎn)參數(shù)，給定為零，以偏差的正負(fù)選擇補償哪個對角線上的較低速電機。 以上就是懸停算法的分析，總而言之這個算法只能在懸停時使用。在接下的分析中，因為經(jīng)典PID算法只是一個計算公式，也僅僅只是三個參數(shù)的選擇（本系統(tǒng)因為其特殊性只能一個一個的測試）。 5.1.2 PID算法選擇分析 在本文中，只考慮PID算法和模糊算法。對于目前最常用的PID算法來說，優(yōu)勢很明顯，只有三個參數(shù)需要整定，不需要輔助工

57、作，整定后，即使模型建立有偏差，仿真結(jié)果和實際有偏差但只要微調(diào)參數(shù)就可以改善，而完成預(yù)設(shè)工作。而且編程簡單，數(shù)據(jù)處理量不大。但是缺點也很顯著，PID三個參數(shù)整定之后在實際工作中，不能有效的實現(xiàn)我們的控制要求，由于系統(tǒng)的高度非線性，還屬于。 對于模糊算法而言，前期的輔助工作，例如按專家經(jīng)驗建立足夠精度的隸屬度函數(shù)等工作的工作量大。但在投入運行后可以讓響應(yīng)速度和加速度限制這一組矛盾有效的解決，日本的特快列車的制動控制模型就是模糊控制對于這類矛盾可以很好解決的最好例子。 對于本設(shè)計來說，并不追求非常完美的加速過程，讓人感覺不到加速度的存在，但又一定要求，鑒于原始PID的最大劣勢，三個參數(shù)的固定導(dǎo)

58、致在不同階段三個參數(shù)不能適應(yīng)該種運行環(huán)境。本設(shè)計采用三參數(shù)按模糊控制浮動的模糊PID算法技術(shù)。在不同階段PID環(huán)節(jié)的三個參數(shù)會根據(jù)不同情況調(diào)整。 5.1.3 PID三個參數(shù)的大小對于響應(yīng)波形的影響 對于系統(tǒng)來說，PID三個參數(shù)的大小決定了響應(yīng)的情況。簡要分析而言，Kp參數(shù)即比例參數(shù)的大小決定了被控對象響應(yīng)的快慢，太小響應(yīng)速度慢，太大又會引起振蕩，在本設(shè)計中還會引起乘客的不舒適；Ki參數(shù)也就是積分參數(shù)主要用于歸零系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但也會引入系統(tǒng)的超調(diào)，因為它的引入即使是穩(wěn)定的系統(tǒng)也會在階躍輸入下阻尼振蕩后進(jìn)入下一平衡點；Kd參數(shù)也就是微分參數(shù)用于補足比例的不足，也就是無法感知偏差的變化率，只對偏

59、差做出反應(yīng)的情況，以保證在偏差發(fā)生極快變化而又實際偏差不大時做出必要的為了保持穩(wěn)定的控制輸出。從整體而言，我期望的是以最快的速度最不需要振蕩的過渡到達(dá)平衡點，三個參數(shù)任何一個參數(shù)過小都會使得響應(yīng)時間變長或不能有效抑制干擾信號，任何一個參數(shù)過大都可能過大的超調(diào)甚至不穩(wěn)定。 簡而言之，模糊PID的算法引入就是為了在最大限度范圍內(nèi)，期望達(dá)到，較快的過渡過程、不能過分超調(diào)和不能過分輸出變化這矛盾的三者間取得平衡。 5.1.4 模糊控制規(guī)則的建立 PID三個參數(shù)中比例是最主要也是最重要的控制環(huán)節(jié)（筆者自認(rèn)為），因為積分需要時間累積，微分需要控制輸出引起偏差變化帶來信息源才能輸出信號，所以都不可能脫

60、離比例環(huán)節(jié)的單獨存在，同時比例環(huán)節(jié)是響應(yīng)速度的最重要的控制環(huán)節(jié)，它的大小直接影響被控對象的響應(yīng)速度。根據(jù)歷來的工程師對于三個參數(shù)整定的經(jīng)驗，我們得出如下基本控制規(guī)則：當(dāng)偏差在很大時，應(yīng)取較大的Kp，較小的Kd，不接入積分環(huán)節(jié)；當(dāng)偏差在中等時，應(yīng)取較小的Kp，適度的Ki和Kd；當(dāng)偏差較小是，應(yīng)取較大的Kp和Ki，適度的Kd。 而在本設(shè)計中，由于偏差可能出現(xiàn)正反兩種情況，建立七級模糊語句：負(fù)大，負(fù)適中，負(fù)較小，零，正較小，正適中，正較大。以三角波形作為隸屬度變化波形相互間在0.5隸屬度交叉。并取十七級量化等級（量化等級越高，輸入時模糊化的隸屬度離散化的精確度越高，但同時每增加1級控制表增加一行一

61、列，表將會越來越大）保證一定的離散模糊化精度。PID三個參數(shù)均使用單獨模糊控制規(guī)則。 5.1.5 模糊控制表的建立 建立好了控制規(guī)則之后，就將對所有輸入數(shù)據(jù)情況作具體分析。首先要按實際情況建立各自的論域。建立論域后模糊量化，建立隸屬度函數(shù)表，然后按控制規(guī)則考慮所有可能偏差和偏差變化率輸入的情況，逐一代入按Mamdani算法計算出模糊推理結(jié)果，此時還是模糊數(shù)據(jù)。 再根據(jù)重心法計算出模糊控制輸出的精確值，并改變PID對應(yīng)的三個參數(shù)。也就是說按如上做法，考慮所有可能情況線下人工計算出所有的控制輸出表存入單片機中。這個表就是模糊控制表。 5.1.6 小結(jié) 在這一節(jié)中，首先必須認(rèn)識到，PID算

62、法因其局限性，只能控制單輸入單輸出的系統(tǒng)，為了能夠使用PID算法，我們只能做出一定的簡化和改變輸入輸出結(jié)構(gòu)。 總之，本小節(jié)的設(shè)計方案僅僅只能使用于懸停的控制中，如果要做到Z軸旋轉(zhuǎn)或者前行（必然伴隨旋轉(zhuǎn)）該算法設(shè)計不能使用。 因為本設(shè)計要求它可以確定方向，并盡可能的移動到預(yù)設(shè)區(qū)域中，算法就需要改進(jìn)。 5.2 運動算法設(shè)計 5.2.1 運動時和懸停時的差別 在運動時，就不能按懸停的算法來控制的原因在于運動時有一定的前行速度，進(jìn)入斜流狀態(tài)（雖然不可能有絕對的軸流狀態(tài)，但在懸停時是可以簡化忽略斜流的，而運動時就不能這樣簡化）。而狀態(tài)的改變就會帶來新的情況，如下分析： 其一，在斜流狀

63、態(tài)中不可能忽視斜流帶來的阻力影響。在之前的軸流狀態(tài)中，因為可以忽視阻力影響，那么電機的負(fù)載只是螺旋槳，所以轉(zhuǎn)速和所給的PWM波（電機的控制是開環(huán)的）關(guān)系穩(wěn)定，這是可以直接實驗測量的（轉(zhuǎn)速和高電平持續(xù)時間成對應(yīng)關(guān)系），于是所給的高電平持續(xù)時間在微調(diào)中也同樣可以認(rèn)為和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。加入了氣流阻力后引入新的負(fù)債轉(zhuǎn)矩，那么轉(zhuǎn)速必須考慮阻力在槳盤上產(chǎn)生作用帶來的影響。按之前的分析，阻力和轉(zhuǎn)速本身、前行速度、傾角位置等都有關(guān)系。那么轉(zhuǎn)速和高電平持續(xù)時間的對應(yīng)關(guān)系就改變了。 其二，可以想象如果下達(dá)傾斜指令，改變一定的電機轉(zhuǎn)速，即使開始傾斜正確，即使還計算好了上升下降的升力扭矩改變達(dá)到開始的平衡，但是因為

64、慣性，前行速度是變化的，阻力變化，轉(zhuǎn)速變化，升力和扭矩必然就不再平衡（這還是小問題），側(cè)向力矩欲抬起傾斜到下方的電機，開始的傾斜就不成立，必然會調(diào)整，跟著一連串的反應(yīng)才能穩(wěn)定，但可以清楚達(dá)到平衡時，升力、扭矩絕對不會平衡。 其三，這一切的問題包括懸停控制時，都還忽略了電機的過渡過程，無刷電機由直流逆變?yōu)槿嚯娭笥妙l率控制轉(zhuǎn)速，在改變了頻率之后，它也不可能立刻響應(yīng)到下一個轉(zhuǎn)速狀態(tài)。 總而言之，問題非常嚴(yán)重，是絕不可能再用懸停算法的。本設(shè)計要求可以自己確定方向，那么就要求有Z軸的自轉(zhuǎn)；另外還要求盡可能飛到預(yù)設(shè)的區(qū)域范圍，就必然會要傾斜。筆者認(rèn)為要解決以上三個問題，還繼續(xù)可以用PID控制，做如

65、下設(shè)計修改。 5.2.2 Z軸旋轉(zhuǎn)解決辦法設(shè)計 Z軸的自轉(zhuǎn)只是讓轉(zhuǎn)矩不平衡，由于沒有前行速度，沒有傾角，還可以認(rèn)為在軸流狀態(tài)，自轉(zhuǎn)控制只需要在原控制下，移除Z軸補償，加入另一個PID環(huán)以一個固定的Z軸角度為給定，計算后加入到原計算中改變即可。為了保證升力和重力平衡，只做低速旋轉(zhuǎn)即可（因為正副對角線上的轉(zhuǎn)速差越大，扭矩越大，自轉(zhuǎn)越快）。 設(shè)計中，先控制懸停，當(dāng)懸停完成后，再開始糾正Z軸的方向問題。原始PID結(jié)構(gòu)不變，繼續(xù)微調(diào)，加入Z軸角度PI控制（不能要微分，只能緩慢旋轉(zhuǎn)），補充轉(zhuǎn)速修正方向，一次計算結(jié)果按目前角度賦給對應(yīng)對角線上的兩顆電機。 5.2.3 固定傾斜解決辦法 要完成固定傾

66、斜并保持升力和扭矩的原始平衡關(guān)系，筆者認(rèn)為只能利用控制變量法，恒定一些變量才能實現(xiàn)。要達(dá)到固定傾斜的要求，其實從實際情況出發(fā)就是一條對角線上的兩顆電機提供不一樣的轉(zhuǎn)速，但給整體的升力、扭矩不變，保證高度不變，并不會自轉(zhuǎn)。 為了完成這個目標(biāo)，在此先做簡要分析：要保持一定傾斜角度不變，我們只能讓一條對角線上電機一個增速，一個減速，完成傾斜。但按前文分析，我們不能讓他們做相同的轉(zhuǎn)速變化（但注意，同升同降還是可以穩(wěn)定讓其不傾斜的），若相同變化，結(jié)果一定不是所預(yù)想的到達(dá)那個角度。所以筆者改變設(shè)計方案，一旦下達(dá)傾斜指令，控制一條對角線上的電機形成不同轉(zhuǎn)速而傾斜，讓高速旋轉(zhuǎn)的那一個成為恒定值不能改變，做傾斜角PID，給定為該軸傾斜值，只控制低速電機改變，完成角度的控制。 如上做法，可以控制一個傾斜角度了（自動平衡了側(cè)向力矩和阻力的影響），但是扭矩沒辦法完成平衡，此時就加入另一個PID環(huán)，用Z軸角速度為輸入修正不傾斜的那條對角線上的電機做同增同降修正即可。 5.2.4 控制算法小結(jié) 無論如何更改結(jié)構(gòu)，在此，筆者需要補充的是，本設(shè)計所采用的方案是結(jié)合模型建立的結(jié)果，分析了在不同情況下