【正文】 效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。遙控飛行是指沒有安裝飛行控制系統(tǒng)，可看成是航模，只能在視距內(nèi)飛行 ， 應(yīng)用價(jià)值不大；自主飛行是指在飛行過程中完全脫離人的干預(yù)實(shí)現(xiàn)飛行，通常采用磁羅盤測(cè)量姿態(tài)，與角速率陀螺組成穩(wěn)定內(nèi)回路，并采用導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航 [1]， 而半自主飛行是介于這兩者之間的飛行方式，飛行任務(wù)主要由人干預(yù)完成，飛行器裝有由角度傳感器和角速率陀螺組成的姿態(tài)角穩(wěn)定內(nèi)回路，飛行穩(wěn)定性和可操作性大大提高。使用大直徑的旋翼以保證盤旋狀態(tài)的穩(wěn)定系能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 ， 該濾波器成功的消除了傳感器偏移的不利影響。板載計(jì)算機(jī)將傳感數(shù)據(jù)傳送給地面計(jì)算系統(tǒng) ， 并根據(jù)地面計(jì)算系統(tǒng)傳來的指令數(shù) 據(jù)調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速。這種雙攝像機(jī)的方法使計(jì)算出的角位移誤差和線位移誤差更小。 該研究小組提出了一個(gè)四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型以及兩種控制策略 ， 分別為反饋線性化方法（ feedback linearization ）和后推法（ backstepping）。置于飛行器底座的五個(gè) 的彩色標(biāo)記用為攝像機(jī)提供位置信息 ， 從而用標(biāo)記定位算法便可計(jì)算出飛行器上標(biāo)記的相對(duì)位置變化 ， 進(jìn)而計(jì)算出四旋翼的俯仰角 ，橫滾角 ， 橫擺角和平動(dòng)位置坐標(biāo)。 賓夕法尼亞 大學(xué)的一個(gè)研究小組使用一個(gè)商業(yè)模型 HMX4 來研制自己的四旋翼飛行器。 X4 Flyers 的研制提出了該飛行器的非線性模型。飛行器有 50% 的功率余量來裝載負(fù)重。飛行器板載芯片由 MEMS 慣性測(cè)量單元（ IMU ） ， 氣流變化傳感器以及一個(gè) GPS 接受裝置 ， R/C 信 號(hào)接受器 ， 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率發(fā)達(dá)器組成。 Draganflyer 是 RC 玩具公司開發(fā)的商業(yè)產(chǎn)品 ， 它由 R/C 信號(hào)發(fā)射設(shè)備和板載控制芯片共同實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。 四旋翼飛行器研究現(xiàn)狀 近年來 ， 關(guān)于如何建造和控制四旋翼飛行器的文章層出不窮。因此 ， 美國(guó)軍方最終對(duì)其失去了興趣 。盡管合約中要求 ， 飛行高度達(dá)到 100 米 ， 該飛行器實(shí)際飛行高度只有 5 米。飛行器的引擎很快被換為 220hp 旋轉(zhuǎn)式 Bentley BR2。 1678kg 的“ X”形結(jié)構(gòu)支架用來支撐位移支架四端的直徑為 米的六翼片旋翼。駕駛員坐在十字支 架得中心位置 ， 油門為唯一的控制設(shè)備 ， 而導(dǎo)致對(duì)飛行器的穩(wěn)定性控制并不理想。在機(jī)器人的智能控制 ， 三維路徑規(guī)劃 ， 多飛行器的空中交通管理和碰撞規(guī)避等方面 ， 小型四旋翼飛行器自主飛行技術(shù)都具有極高的研究?jī)r(jià)值 。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比 ， 其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 ， 并且只需通過改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制 ， 且飛行機(jī)動(dòng)能力更加靈活。該競(jìng)賽吸引了來自全世界不同國(guó)家研究團(tuán)隊(duì)的參與 ， 來完成預(yù)先設(shè)定的自主飛行任務(wù)。通過無人飛行器來完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障 。 無人飛行器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：系統(tǒng)制造成本低 ， 在執(zhí)行任務(wù)時(shí)人員傷害小 ， 具有優(yōu)良的操控性和靈活性等。 在無人飛行器自主飛行的眾多技術(shù)當(dāng)中 ， 飛行器自主飛行控制算法的設(shè)計(jì)一直是控制領(lǐng)域眾多研究者最關(guān)心的問題之一。 另一方面 ， 小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能 ， 并具有在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛 ， 盤旋 ， 飛行 ， 著陸的能力。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 2 1 四旋翼 飛行器 早期四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 早在 20 世紀(jì)初期 ， 就有人開始研制載人四旋翼飛行器。飛行器起飛時(shí) ， 在其四端需要有工作人員幫助來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起飛。一 個(gè)小型的提升旋翼被置于支架交點(diǎn)的 180hp 的 Le Rhone 放射裝引擎上方 ， 但隨后不久就被認(rèn)為多余而被拆卸。 1922 年 12 月 18 日于 Wright Field 進(jìn)行的一次試飛中 ，該飛行器飛行高度達(dá) 米 ， 空中飛行達(dá) 1 分 42 秒。在該研究花費(fèi)了約 20 萬美元后 ， Bothezat 展示了他設(shè)計(jì)的飛行器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行 ，實(shí)際應(yīng)用的直升機(jī)理論上是可以制造出來的。 Convertawings 于 1950 年在紐約的 Amityville 建造了一架四旋翼飛行器。其中一些項(xiàng)目主要關(guān)注飛行器的建模以及通過仿真來驗(yàn)證對(duì)其控制的策略是否有效。板載芯片包括一個(gè)對(duì)領(lǐng)航者輸入的接收裝置 ， 三個(gè)傳感器測(cè)量飛行器三個(gè)方向的角速度 ， 一個(gè)微控制器來執(zhí)行控制算法計(jì)算。 Quattrocopter 使用的鋰電池在一次性充滿電后可維持其 20 分鐘的飛行。 X4 Flyers 在澳大利亞研制 ， 研制人員對(duì)兩個(gè)慣性測(cè)量單元（ IMU ）進(jìn)行檢測(cè) ， 一個(gè)IMU 為 Crossbow 公司生產(chǎn)的商用 IMU ， 重約 475 克 , 另一個(gè)名為 EiMU 的 IMU 有澳大利亞的一個(gè)機(jī)器人小組研制而成 ， 重約 100 克。此模型在飛行器處于盤旋狀態(tài)時(shí)被線性化 ， 并在此線性模型的基礎(chǔ)上得出領(lǐng)航員控制輸入指令到歐拉角輸出的傳遞函數(shù)（ transfer functions）。 此 四旋翼飛行器的控制由板載計(jì)算機(jī)和地面計(jì)算系統(tǒng)處理傳感器和攝像機(jī)傳送的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。由于 HMX4模型的重量限制 ， 飛行器不能另外裝配 GPS 系統(tǒng)合加速度測(cè)量?jī)x。仿真結(jié)果顯示后推控制器的性能較優(yōu) ， 并隨后設(shè)計(jì)了此 種控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 康奈爾大學(xué)啟動(dòng)了兩個(gè)四旋翼飛行器的項(xiàng)目。地面計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)傳感數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)計(jì)算出馬達(dá)輸入 ， 并將其發(fā)送至板載計(jì)算機(jī)。第二個(gè) 項(xiàng)目 主要關(guān)注飛行器的四個(gè)升力產(chǎn)生裝置以及飛行器的整體結(jié)構(gòu)。此四旋翼飛行器使用板載電源和傳感器 ， 這兩部分占據(jù)飛行器一半的質(zhì)量 ,慣性測(cè)量單元由 SystronDonner 生產(chǎn)。由于任務(wù)量和技術(shù)方面的原因，暫時(shí)實(shí)現(xiàn)半自主飛行。當(dāng)四軸飛行器懸停時(shí)，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對(duì)的正槳反槳抵消。同步增加 0 號(hào)和 1 號(hào)、減小 2 號(hào)和 3 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 x 軸的力矩；同步增加 1 號(hào)和 2 號(hào)、減小 0 號(hào)和 3 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 y 軸的力矩；同步增加 1 號(hào)和 3 號(hào)、減小 0 號(hào)和 2 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 z 軸的力矩。 mx、 my 和 mz是各軸的力矩系數(shù)，用于把力矩轉(zhuǎn)換成功率變化量，具體數(shù)值與電機(jī)力矩特性、電機(jī)安裝位置等有關(guān)。 它包括 最先進(jìn)的高分辨率 HMC118X 系列磁阻傳感器 ， 并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在 1176。內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。 采用 SP6205 為處理器和其他芯 片輸出電源，此芯片是一款低噪聲、低壓差、低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器，性能穩(wěn)定，出色的線性 /負(fù)載調(diào)節(jié)特性，并具有過流保護(hù)及過熱關(guān)斷模塊。第二部分為無線遙控（圖32）。 本設(shè)計(jì)采用 ST 公司生產(chǎn)的 STM32F103T8U6 作為系統(tǒng)的主處理器。它集成了 3軸 MEMS 陀螺儀 ， 3 軸 MEMS 加速度計(jì) ， 以及 一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP（ DigitalMotionProcessor） ， 可用 I2C 接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器 ， 比如磁力計(jì)。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng) ， 傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的 ， 陀螺儀可測(cè)范圍為177。 2020176。 8， 177。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用 ， 對(duì)寄存器的讀取和中斷可用 20MHz 的 SPI。 MPU6050 集成了 3軸陀螺儀和 3 軸加速度計(jì)，陀螺儀起到測(cè)量四旋翼飛行器的角速率的作用，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要。主設(shè)備將 Slave 地址傳到總線上，從設(shè)備用與其匹配的地址來識(shí)別主設(shè)備。直到主設(shè)備發(fā)出結(jié)束信號(hào)（ P） ，否則總線狀態(tài)一直為忙。 如果從設(shè)備 MPU6050 忙，它可以使 SCL 保持在低電平，這會(huì)強(qiáng)制是處理器進(jìn)入等待狀態(tài)。然后，處理器釋放 SDA 線，等待 MPU6050 的應(yīng)答信號(hào)（ ACK）。然而，處理器也可以產(chǎn)生 重復(fù)的開始信號(hào)去操作另外的 I2C 設(shè)備，而不發(fā)出結(jié)束標(biāo)志。然后處理器開始傳送寄存器地址，接到應(yīng)答后，開始傳送寄存器數(shù)據(jù)，然后仍然要有應(yīng)答信號(hào)，以此類推。通信以處理器 產(chǎn)生的拒絕應(yīng)答信號(hào)（ NACK）和結(jié)束標(biāo)志（ P）結(jié)束。 ~2176。 在慣性導(dǎo)航算法中，導(dǎo)航參數(shù)會(huì)隨著傳感器的測(cè)量誤差積累和發(fā)散，因而不能滿足長(zhǎng)時(shí)間自主飛行的需要，故選用霍尼韋爾公司的三周是數(shù)字羅盤 HMC5883L 對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)選用NORDIC公司生產(chǎn)的 NRF24L01芯片。 掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低 。 NRF24L01 模塊與處理器通過 SPI 接口進(jìn)行通訊， SPI 為四線同步串行接口，兩個(gè)控制線，兩個(gè)數(shù)據(jù)線。 SPI 傳輸特點(diǎn)： 1） 數(shù)據(jù)的最高位（ MSB）先傳，最低位（ LSB）后傳 2） 數(shù)據(jù)在時(shí)鐘（ SCLK）的上升沿捕獲 3） 數(shù)據(jù)在時(shí)鐘（ SCLK）的下降沿轉(zhuǎn)換 4） 最大時(shí)鐘頻率為 1MHz 5） SPI的每次讀 /寫操作需要 16 個(gè)時(shí)鐘周期或更多。 SPI 讀寫操作時(shí)序圖如下： 圖 310 SPI讀操作 SPI read operation 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 311 SPI寫操作 SPI write operation 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì) 采用 PWM 控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本 設(shè)計(jì)選用 N溝道場(chǎng)效應(yīng)管 SI2302來控制和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它具有較大的漏極電流，最大能通過 的電流 。本系統(tǒng)采用 動(dòng)力電池提供電源， 兩路 電壓 輸出 ， 一路供主控芯片 ， 一路供陀螺儀輸出 ，兩路電源相互隔離 ， 防止陀螺儀的數(shù)據(jù)被干擾。 TP4056 可以適合 USB 電源和適配器電源工作。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值 1/10 時(shí) ， TP4056 將自動(dòng)終止充電循環(huán)。 原理圖如圖 314。C 等共 9個(gè)外設(shè)接口，由圖 310 可知， STM32F103C8T6處理器的外圍電路僅需要外部晶振和少量電容即可，內(nèi)部自帶的 USB 接口便于調(diào)試和程序下載。 GND1VCC2CE3CSN4SCK5MOSI6MISO7IRQ8NRF24L01GND+PB10PA5PA6PA4PA7PB5 圖 316 NRF24L01接口原理圖 The schematic of Nrf24l01 interface 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是啟動(dòng)飛行器 控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊并使之正常工作，按照既定規(guī)劃實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。系統(tǒng)程序流程如圖 41所示。 在執(zhí)行過程中，本設(shè)計(jì)先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址再寫入數(shù)據(jù)，然后再控制 NRF24L01 發(fā)送地址和數(shù)據(jù)。地理坐標(biāo)系是固連在地面的坐標(biāo)系，機(jī)體坐標(biāo)系是固連在飛行器上的坐標(biāo)系。如圖 44 所示。在本文中，矩陣用加粗大寫字母表示，如 EAR ，左上標(biāo)和左下標(biāo)表示從機(jī)體坐標(biāo)系 (Aircraft)變換到地理坐標(biāo)系 (Earth)；四元數(shù)用加粗小寫字母表示，如 EAq ，上下標(biāo)意義與變換矩陣一樣；向量用帶箭頭加粗小寫字母表示，如 Av ，左上標(biāo) A 表示向量 的值是在機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。如果用四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)，則由四元數(shù)的乘法來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)串聯(lián)。 cos ( )2sin( )2sin( )2sin( )2qqwqwqwwxxyyzz??????????? （ 42） 記四元數(shù)乘法的符號(hào)為 ? 。 2222221 2 2 2 2 2 2( ) 2 2 1 2 2 2 22 2 2 2 1 2 2q q q q q q q q q qq q q q q q q q q qq q q q q q q q q qy z x y w z x z w yR x y w z x z y z w xx z w y y z w x x y??? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ???q （ 44） 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 姿態(tài)測(cè)量 獲取當(dāng)前姿態(tài)是控制飛行器平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)，姿態(tài)的測(cè)量要求低噪聲、高輸出頻率，當(dāng)采用陀螺儀等需要積分的傳感器時(shí)，還需要考慮積分誤差等問題。 傳感器的校正 （一） 陀螺儀 對(duì)于陀螺儀等靜止時(shí) 0 輸出的傳感器，可以很方便地校正零偏。 1 fnn? ?AX （ 45） ()ii gain? ? ?Y X A （ 46） （二） 加速度計(jì) 加速度計(jì) 是測(cè)量所在點(diǎn)的 重力 場(chǎng)的值的傳感器，靜態(tài)時(shí)加速度計(jì)測(cè)的是等效重力加速度場(chǎng)。因此校正的任務(wù)為：尋找最佳的平移和縮放參數(shù)，使總體測(cè)量 的 數(shù)據(jù) 值更接近 重力加速度。因?yàn)?U 是 {a,b,c,d,e,f,g}的多項(xiàng)式函數(shù)，使 U最小的點(diǎn)必 為極值點(diǎn)，一階偏 導(dǎo) 為 0，得（ 415）式。當(dāng)處理到最后一個(gè)變量時(shí)，系數(shù)已經(jīng)變得很小了，強(qiáng)制令為 0，以釋放一個(gè)自