【正文】 時，電機 2和電機 4順時針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。 四旋翼飛行器在空間共有 6個自由度（分別沿 3個坐標軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這 6個自由度的控 制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。 前 6 圖 2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式 基本運動狀態(tài)分別是： 1垂直運動； 2俯仰運動； 3滾轉(zhuǎn)運動； 4偏航運動； 5前后運動； 6側(cè)向運動。在圖 3中，電機 1和電機 3作逆時針旋轉(zhuǎn)，電機 2和電機4作順時針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x軸正方向運動稱為向前運動，箭頭在旋翼的運動平面上方表示此電機轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機轉(zhuǎn)速下降。圖 3（ a）垂直運動：垂直運動相對來說比較容易。在圖中，因有兩對電機轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機身的反扭矩，當同時增加四個電機的輸出功率，旋翼 轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當總拉力足以克服整機的重量時，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時減小四個電機的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實現(xiàn)了沿 z軸的垂直運動。當外界擾動量為零時，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運動的關(guān)鍵。 圖 3（ b）俯仰運動：電機 1的轉(zhuǎn)速上升，電機 3的轉(zhuǎn)速下降，電機 電機 4的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因為旋翼轉(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼 1與旋翼 3轉(zhuǎn)速該變量的大小應相等。由于旋翼 1的升力上 升，旋翼 3的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機身繞 y軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當電機 1的轉(zhuǎn)速下降，電機 3的轉(zhuǎn)速上升，機身便繞 y軸向另一個方向旋轉(zhuǎn)， 實現(xiàn)飛行器的俯仰運動。 圖 3（ c）滾轉(zhuǎn)運動：與圖 b的原理相同，在圖 c中，改變電機 2和電機 4的轉(zhuǎn)速，保持電機 1和電機 3的轉(zhuǎn)速不變，則可使機身繞 x軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運動。 圖 3（ d）偏航運動：四旋翼飛行器偏航運動可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來實現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn) ，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的來年各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當四個電機轉(zhuǎn)速相同時，四個 7 旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當四個電機轉(zhuǎn)速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動。在圖 d中，當電機 1和電機 3的轉(zhuǎn)速上升，電機 2和電機 4的轉(zhuǎn)速下降時，旋翼 1和旋翼 3對機身的反扭矩大于旋翼 2和旋翼 4對機身的反扭矩，機身便在富余反扭矩的作用下繞 z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)飛行器的偏航運動，轉(zhuǎn)向與電機 電機 3的轉(zhuǎn)向相反。 圖 3（ e）前后運動：要想實現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運動，必須在水 平面內(nèi)對飛行器施加一定的力。在圖 e中，增加電機 3轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應減小電機 1轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時保持其它兩個電機轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。按圖 b的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實現(xiàn)飛行器的前飛運動。向后飛行與向前飛行正好相反。當然在圖 b圖 c中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運動的同時也會產(chǎn)生沿 x、 y軸的水平運動。 圖 3（ f）傾向運動：由于結(jié)構(gòu)對稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運動完全一樣。 8 圖 3 四旋翼飛行器沿各自由度的運動 四旋翼直升機的動力學原理 不像普通的直升機有可變螺距角度，四旋翼直升機由固定俯仰角轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子速度控制，以產(chǎn)生預期的升力。四旋翼的基本運動可以用圖 4來描述。 圖 4 四旋翼三維受力圖 直升機的垂直運動可以在同一時間通過改變所有的轉(zhuǎn)子速度來實現(xiàn)。沿著 X 軸的運動與在 Y軸方向上傾斜有關(guān)。這種傾斜可通過降低旋翼 2的速度，增加旋翼 4的速度來實現(xiàn)。這種傾斜也可以沿 X軸的加速度。類似的，沿著 Y軸的運動與在 X軸方向上傾斜有關(guān)。偏航運動是利用旋翼產(chǎn)生的力矩來實現(xiàn)的。常規(guī)直升機有尾槳，以平衡由主旋翼產(chǎn)生的力矩。但在四旋翼的情況下，旋翼的旋轉(zhuǎn)方向是用來平衡和減少這些力矩的。這也可以被用來產(chǎn)生預期的偏航運動。為了在順時針方向上轉(zhuǎn)向，必須增加旋翼 4的速度以克服旋翼 1和 3產(chǎn)生的力矩。因此一個好的控制器應能達到預期的偏航角，同時保持固定的傾斜角度和高度。假設一個固定在支架上的結(jié)構(gòu)在該直升機重心處，此處 Z軸是指向上的，它的身體軸心是與慣性系的位置矢量（ x,y,z)和三個分別代表了俯仰滾 9 轉(zhuǎn)與偏航的歐拉角（θ，Ψ，Φ），有關(guān)的式 1 用來表示旋 轉(zhuǎn)?????????????????????????????????????????????ccscssccssccssscssscsccssscccR 在上式中 ?c 和 ?s 分別表示了 ?cos 和 ?sin 每個旋翼產(chǎn)生的力矩相當于縱向的力。這些力矩已通過實驗觀察到在低速情況下與力是呈線性的。這里有 4個輸入的力與 6個輸出的參數(shù)（ ??? ,, zyx ）因此直升機是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)。兩個旋翼的旋轉(zhuǎn)方向是順時針方向，另外兩個是逆時針的，為了平衡力矩并且實現(xiàn)所需要的偏航運動 。根據(jù)力和力矩平衡所得方程如下： m xKFx i i ??? 141 )s i ns i nc oss i n)(c os( ??? ? ? ????? myKFy i i ??? 24 1 )s i nc o sc o ss i n) ( s i n( ??? ? ? ?????m zKmgFz i i ??? 341 )c os)(c os( ??? ? ? ?? 364321254321144321/)(/)(/)(JKMMMMJKFFFFlJKFFFFl???????????????????????????????? 上面的 iK 是阻尼系數(shù)，接下來我們假設阻力為 0，因為阻力在低速時可以忽略的。為了簡單起見，我們定義輸入為： 34321424321314321243211/)(/)(/)(/)(JFFFFCuJFFFFuJFFFFumFFFFu?????????????????? iJ 是對 于軸的轉(zhuǎn)動慣量， C 是力與力矩的比例因子。 1U 表示了在 Z軸方向上的加速度， 2U 、 3U 表示 the roll and pitch inputs 4U 表示了一個偏航力矩。因此運動方程變成了： )s i ns i nc o ss i n( c o s1 ????? ?? ux?? lu2??? )s i ns i nc o ss i n( s i n1 ????? ?? uy?? lu3??? guz ?? )c o s(c o s1 ???? 4u??? 10 假設重心在對角線的交點處，若重心向上（或向下）移動 d單位，則角速度對力更不敏感，從而穩(wěn)定性增加了。使旋翼的力指向中心同樣增加穩(wěn)定性，同時減少 The roll and pitch moments 和 垂直方向上的總推力。 2. 系統(tǒng)硬件芯片的選擇 飛行器控制板主控芯片 R5F100LEA，如圖 5所示。 圖 5 主控芯片 R5F100LEA引腳圖 主控芯片 R5F100LEA是瑞薩公司生產(chǎn)的一款單片機芯片，采用 64引腳 LQFP封裝，64KB的 ROM容量，擁有 Flash存儲器。本產(chǎn)品相較于 C8051有以下特點：擁有 15個端口，采用引腳復用方式，既節(jié)省了引腳資源，又拓展了功能。適合在復雜應用且微型飛行器上應用。 MPU 6050 如圖 6 11 圖 6 MPU6050引腳圖 MPU6050為全球首例整合性 6軸運動處理組件，采用最小最薄包裝 ( QFN) 符合 RoHS 及環(huán)境標準，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。 MPU6000（ 6050）整合了 3軸陀螺儀、 3軸加速器，并含可藉由第二個 I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運動處理 (DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要 I2C 端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，具有向 應用端輸出完整的 9軸融合演算技術(shù) InvenSense的運動處理資料庫，可處理運動感測的復雜數(shù)據(jù)，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，并為應用開發(fā)提供架構(gòu)化的 API等功能。 MPU6000（ 6050）的角速度全格感測范圍為177。 250、177。 500、177。 1000與177。 2022176。 /sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為177。 2g、177。 4g177。 8g 與177。 16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至 400kHz 的 IC 或最高達 20MHz 的 SPI（ MPU6050沒有 SPI）。 MPU6000可在不同電壓下 工作， VDD 供電電壓介為 177。 5%、 177。 5%或 177。 5%，邏輯接口 VVDIO 供電為 177。 5%（ MPU6000僅用VDD）。 MPU6050中陀螺儀和加速度計分別用了三個 16位的 ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。 HCSR04 如圖 7 12 圖 7 HCSR04實物圖 HCSR04超聲波測距模塊 包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路， 性能穩(wěn)定，測度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小。 具有可提供 2cm400cm的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達高到 3mm。 基本工 作原理： (1)采用 IO口 TRIG觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號 。(2)模塊自動發(fā)送 8個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3)有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離 =(高電平時間 *聲速 (340M/S))/2。 飛行姿態(tài)的測量 對無人機的控制來說測量無人機的飛行姿態(tài)是勢必不可少。我們用一個慣性測量裝置（陀螺儀 mpu6050）來執(zhí)行這一任務。這架旋翼機的姿態(tài)是確定利用互補濾波器為每個旋轉(zhuǎn)軸。該過濾器的工程計算誤差信號之間 的估計角（ ? ），并參考角（ ref? ）在直接從加速度計算。在積分前，這個錯誤信號減去了初始角速度信號。應該指出的是，比率傳感器可以測量在體內(nèi)固定軸，而加速度測量傾斜，在地球上的固定軸。 超聲波傳感器高度控制 超聲波傳感器高度控制是通過 PID 閉環(huán)控制算法實現(xiàn)的，這種控制采 用閉合反饋，通過超聲波傳感器發(fā)射的時間和收到反射波的時間差，計算距離，反饋給主控芯片，同時控制四個電機的轉(zhuǎn)速。 PID 是比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)控制算法。但并不是必須同時具備這三種算法，也可以 是 PD,PI,甚至可以只有 P算法控制。 13 采用了以上三種算法 比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)控制超聲波傳感器反饋的脈沖，以控制四個電機的轉(zhuǎn)速，越過障礙。積分，反應系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，因為有差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無誤差；微分，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng) 的動態(tài)性能。但是微分對噪聲干擾有放大作用，加強微分對系統(tǒng)抗干擾不利 積分和微分都不能單 獨起作用，必須與比例控制配合。采用比例控制規(guī)律能較快地克服擾動的影響，它的作用于輸出值較 快， 但不能很好穩(wěn)定在一個理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖較能有效的克服擾動的影響， 但有 余差出現(xiàn)。 電源模塊 為四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)、無刷電機等提供電源。由于四旋翼飛行器載重量有限，所以電源系統(tǒng)應該盡可能 輕，能量密度大?？紤]到線性穩(wěn)壓方式轉(zhuǎn)換效率不高，能量損耗大的缺點，本系統(tǒng)改用開關(guān)電源的方式來穩(wěn)壓。但開關(guān)電源會產(chǎn)生較強的電磁干擾，而且存在電源波紋，這樣對 PPM的遙控方式影響就很大。 硬件電路圖 整 體連接電路如圖 8 圖 8 硬件連接電路圖 14 三、程序設計 程序流程圖 如圖 9 圖 9 流程圖 四、系統(tǒng)測試 基本部分測試 測試儀器：秒表、數(shù)字萬用表、示波器、 R5F100LEA仿真機等。 15 測試方法： 數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止 /導通狀態(tài)等參數(shù)； 示波器用于測試各 PWM波形； 秒表用于產(chǎn)品測試，按照基本要求對制成的四旋翼飛行器進行飛行時間的測量； R5F100LEA仿真器用來測試軟件； 測試結(jié)果： 測試結(jié)果顯示本系統(tǒng)以實現(xiàn)需求中基本功能，能滿足在時間限度里飛行所要求的距離，不足之處在于系統(tǒng)功能相對不夠完善，在傳感器模塊還需要進行完善。此次測試目的在于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷與漏洞，