【正文】 立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量。 ADXL345 ADXL345 是 由 ADI 公司推出的集成加速度傳感器。從設(shè)計(jì)上講，最大的特點(diǎn)圖 ADXL345 I2C總線接線圖 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 就是有 32 級(jí) FIFO 緩存，存儲(chǔ)了就近時(shí)間內(nèi) 32組三軸加速度數(shù)據(jù)。連接方式如圖 ，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。設(shè)置好后，在每一次芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新時(shí)給中斷信號(hào)，表 示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機(jī)可讀取數(shù)據(jù)信息。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過(guò)加速度計(jì)積分一次就可以得到。 圖 ADXL345數(shù)據(jù)格式 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 10 如果讓兩者配合，就能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)靈敏又純凈的輸出信號(hào)。沖擊還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級(jí)的改變，但新的角速度方向已和新的動(dòng)量矩方向不一致。 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(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這個(gè)偏轉(zhuǎn)角也能由其旋轉(zhuǎn)軸指向給出。他提出的模型效應(yīng)是：正如我們所見(jiàn)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)上不同半徑位置的線速度不同，當(dāng)物體從盤(pán)心沿徑向向外運(yùn)動(dòng)時(shí)起對(duì)地線 速度在增加，根據(jù)牛頓第一定律，沒(méi)有外力的作用速度就不會(huì)發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應(yīng)該存在一個(gè)這樣的力的作用，這就是他提出的假象力。通過(guò)測(cè)量容值變化就可以分析出科里奧利力的大小，這個(gè)力的大小和角速度成正比關(guān)系，就可以按如上公式計(jì)算出角速度而且線性度極好。 三軸磁場(chǎng)傳感器 傳感器原理 既然是九軸數(shù)據(jù)融合，除了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場(chǎng)傳感器。 對(duì)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）?；蛘哒f(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。但價(jià)格昂貴，筆者在做比賽時(shí)使用過(guò)，非常好用 ，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有噪聲，筆者在此推薦。用串口調(diào)試程序獲得的數(shù)據(jù)如圖 所示。 圖 用串口調(diào)試程序在 PC上接收的傳感數(shù)據(jù) 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 4章 飛行器模型分析 概述 飛行器飛行原理 四旋翼飛行器，由十字型機(jī)架和四組旋槳電機(jī)組合構(gòu)成。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(gè)自由度。 而前進(jìn)、后退、側(cè)飛三個(gè)動(dòng)作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行器傾斜，在傾斜時(shí)，飛行器受重力作用分解出水可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 14 平方向的加速度，形成前進(jìn)、后退、側(cè)飛兩個(gè)動(dòng)作。 在本設(shè)計(jì)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，既而討論算法。 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(dòng)力學(xué)模型，要求方法有動(dòng)量理論、葉素理論、渦流理論等。但在實(shí)際情況中，不可能處于理想的無(wú)其他氣流影響的狀態(tài)，也就是處于斜流狀態(tài)。 升力和扭矩關(guān)系 簡(jiǎn)要分析：升力按分析可知，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。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動(dòng)加速進(jìn)入槳盤(pán)，這個(gè)過(guò)程中，氣流開(kāi)始匯聚，經(jīng)過(guò)槳盤(pán)后由于排壓作用繼續(xù)加速和匯聚直到槳盤(pán)下方大約二分之一槳盤(pán)半徑的位置 被壓縮至最小節(jié)流面積，達(dá)到速度最大值。在一定方向的斜流下，螺旋槳就會(huì)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(huì)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(duì)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(jì)重點(diǎn)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： 至此說(shuō)明：按前文的推論，原始式是式（ ），按動(dòng)量定理建立，之后的四個(gè)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) LQDT CCCC 、 的確定，在下一節(jié)中闡述。而對(duì)于槳葉微元來(lái)說(shuō)，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(gè)常數(shù)。如果能保證無(wú)自然風(fēng)的影響，每次前行時(shí)傾斜的角度都固定，這兩個(gè)兩個(gè)參數(shù)就只和前進(jìn)速度 0V 以及轉(zhuǎn)速 ? 有關(guān)系。所以，想要建立一個(gè)精確的模型很難，而且建立之后的作用并不大，因?yàn)樵骄_，非線性程度越高，式中的四個(gè)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。筆者放棄了這一部分的研究。 從算法的選取上講，四軸飛行器屬于欠驅(qū)動(dòng)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(lái)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。但眾所周知，建立在線性基礎(chǔ)上的 PID，對(duì)于非線性系統(tǒng)的控制能力可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 20 并不是很強(qiáng)，為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)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。首先對(duì)于懸停任務(wù)，給定 X軸角度為 0， Y軸角度為 0， Z軸無(wú)角速度即可，那么就形成了三個(gè)偏差輸入；四個(gè)控制輸出；這四個(gè)輸出又用來(lái)控制機(jī)體六個(gè)自由度都不能運(yùn)動(dòng)的局面。在實(shí)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(jī)調(diào)速是微調(diào)。 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(gè)控制環(huán)來(lái)作為補(bǔ)償。在接下的2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 分析中，因?yàn)榻?jīng)典 PID 算法只是一個(gè)計(jì)算公式，也僅僅只是三個(gè)參數(shù)的選擇（本系統(tǒng)因?yàn)槠涮厥庑灾荒芤粋€(gè)一個(gè)的測(cè)試）。但是缺點(diǎn)也很顯著， PID 三個(gè)參數(shù)整定之后在實(shí)際工作中，不能有效的實(shí)現(xiàn)我們的控制要求，由于系統(tǒng)的高度非線性，還屬于。本設(shè)計(jì)采用三參數(shù)按模糊控制浮動(dòng)的模糊 PID算法技術(shù)。從整體而言，我期望的是以最快的速度最不需要振蕩的過(guò)渡到達(dá)平衡點(diǎn)，三個(gè)參數(shù)任何一個(gè)參數(shù)過(guò)小都會(huì)使得響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)或不能有效抑制干擾信號(hào)，任何一個(gè)參數(shù)過(guò)大都可能過(guò)大的超調(diào)甚至不穩(wěn)定。 而在本設(shè)計(jì)中，由于偏差可能出現(xiàn)正反兩種情況，建立七級(jí)模糊語(yǔ)句：負(fù)大，負(fù)適中，負(fù)較小，零，正較小，正適中，正較大。 模糊控制表的建立 建立好了控制規(guī)則之后，就將對(duì)所有輸入數(shù)據(jù)情況 作具體分析。也就是說(shuō)按如上做法，考慮所有可能情況線下人工計(jì)算出所有的控制輸出表存入單片機(jī)中。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求它可以確定方向，并盡可能的移動(dòng)到預(yù)設(shè)區(qū)域中，算法就需要改進(jìn)。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(pán)上產(chǎn)生作用帶來(lái)的影響。 其三，這一切的問(wèn)題包括懸?？刂茣r(shí)，都還忽略了電機(jī)的過(guò)渡過(guò)程，無(wú)刷電機(jī)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(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)。 Z 軸旋轉(zhuǎn)解決辦法設(shè)計(jì) Z軸的自轉(zhuǎn)只是讓轉(zhuǎn)矩不平衡，由于沒(méi)有前行速度，沒(méi)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(bǔ)償，加入另一個(gè) PID 環(huán)以一個(gè)固定的 Z軸角度為給定，計(jì)算后加入到原計(jì)算中改變即可。 固定傾斜解決辦法 要完成固定傾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(shí)現(xiàn)。所以筆者改變?cè)O(shè)計(jì)方案，一旦下達(dá)傾斜指令，控制一條對(duì)角線上的電機(jī)形成不同轉(zhuǎn)速而傾斜，讓高速旋轉(zhuǎn)的那一個(gè)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(jī)改變，完成角度的控制。 在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有引入高度反饋，建立升力不平衡的補(bǔ)償這是算法中的小缺陷，在此筆者做出說(shuō)明是，高度反饋時(shí)必須引入的，本設(shè)計(jì)也引入了，而在本章并沒(méi)有闡述原因是，它的 PID 參數(shù)和電池的性能有關(guān)。 九軸數(shù)據(jù)的融合算法 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 關(guān)于數(shù)據(jù)融合必要性的分析 陀螺儀是這三種傳感器中最終獲得姿態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)中選擇的是集成芯片，自動(dòng)由科里奧利力結(jié)算出此時(shí)的角速度。而加速度計(jì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，它有慣性參考系等，也可以累計(jì)出角度值，但是加速度計(jì)不會(huì)區(qū)分重力加速度和外力加速度，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確給出加速度數(shù)據(jù)。 簡(jiǎn)而言之，就是由陀螺儀和加速度構(gòu)成一組角度測(cè)量，用一種算法結(jié)算處一組姿態(tài)角，再有陀螺儀和地磁傳感器構(gòu)成另一組角度測(cè)量，獲得另一組角度值，再綜合數(shù)據(jù)獲得最終的姿態(tài)角。詳情請(qǐng)參考文獻(xiàn) 【 4】【 15】 兩篇。 W 和 V就是這兩變量的隨機(jī)噪聲，兩個(gè)一般假設(shè)服從期望為零的獨(dú)立正態(tài)分布。 主控機(jī)程序應(yīng)該分為三部分，一部分是從串口接收數(shù)據(jù)并重裝成浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，一部分是按 PID 算法計(jì)算獲得控制結(jié)果，最后一部分是將控制數(shù)據(jù)用定時(shí)中斷的方式輸出 PWM給對(duì)應(yīng)電調(diào)。 在重裝時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都是 56 幀的數(shù)據(jù)，其中若為 6 幀時(shí)有一幀數(shù)據(jù)是可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 28 2DH表示負(fù)數(shù)，而真實(shí)的數(shù)據(jù)只有五幀，其中一幀為 2EH 表示小數(shù)點(diǎn)。接受完后，檢查結(jié)束幀即可。因?yàn)?流程圖過(guò)于復(fù)雜，本文不再給具體流程，請(qǐng)直接參看程序即可。在修改完四個(gè)電機(jī)之后，重開(kāi)串口中斷并關(guān)閉定時(shí)中斷，保障中斷不會(huì)沖突。 在理論設(shè)計(jì)結(jié)束之后我做出了實(shí)物，按照自己的設(shè)想加入了改進(jìn)的 PID 控制算法并取得一定成功，這是我最開(kāi)心的事。然后按四元數(shù)法建立狀態(tài)方程，再利用卡爾曼濾波設(shè)計(jì)濾除高斯噪聲并融合加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)獲得姿態(tài)角。 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 論文小結(jié) 經(jīng)過(guò)了這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的歷練之后，我深深的感受到了控制學(xué)科知識(shí)的深度 和廣度。 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 32 致 謝 本文是在余騰偉老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。 最后對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。 [4] （美） Charles K. Chui。 [6] 未知，四旋翼飛行器控制。北京；清華大學(xué)出版社， 2020。 [2] 未知，誘導(dǎo)速度， J0XUuD4XpkYTPeMEjrKwtCAGsAvuoqHURR6qOI1baZYGSRsGlTbtjB3C6m5pIe5YTm。他淵博的知識(shí)、開(kāi)闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 以我自己的經(jīng)歷而言，我覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)是考驗(yàn)自己專業(yè)能力最好的方式，并且我認(rèn)為選擇一個(gè)略高于自己目標(biāo)難度的課題對(duì)自己的鍛煉更大。所以分析完傳感器的處理之后，應(yīng)該對(duì)于系統(tǒng)物理模型進(jìn)行建立。所以，本設(shè)計(jì)對(duì)于剛剛接觸四軸飛行器的人來(lái)說(shuō)是非常好的入門(mén)參考設(shè)計(jì)。 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 30 總結(jié) 選擇這個(gè)課題作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是對(duì)自己極大挑戰(zhàn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)中有相當(dāng)多的知識(shí)都是要在碩士研究生階段才會(huì)學(xué)到的知識(shí)。本設(shè)計(jì)中， MSP430 工作在 8MHZ 的機(jī)器周期下，用定時(shí)中斷可以在 12ms 之間細(xì)分出足夠多的等份，滿足足夠的控制精度。 首先，按前文算法設(shè)計(jì)的要求，一共會(huì)有 3段，所以必須用一個(gè)控制位，選2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 擇 PID 進(jìn)入那一段。 程序設(shè)計(jì) 按上述辦法就可以把傳感器的數(shù)據(jù)重裝為我們接下來(lái)做 PID 運(yùn)算的反饋輸入。 然后開(kāi)啟串口中斷，每次到來(lái)數(shù)據(jù)是，進(jìn)行比較，找到“ YPR=”這五幀數(shù)據(jù)，才開(kāi)始保存真正的數(shù)據(jù)。具體推導(dǎo)過(guò)程請(qǐng)參考文獻(xiàn) 【 15】 ： 式子（ ）是預(yù)估式， 式子（ ）是校正式。它通過(guò)上一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)計(jì)算實(shí)際當(dāng)前時(shí)刻的真實(shí)值，而算法式也就是由預(yù) 估和校正兩部分構(gòu)成并采用遞歸算可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 26 法不斷更新數(shù)據(jù)結(jié)果，濾除噪聲。本文采用卡爾曼（ Kalman）濾波辦法，在結(jié)算過(guò)程中同步融合兩組數(shù)據(jù)獲得最終結(jié)果的原理。 地磁數(shù)據(jù)就是根據(jù)當(dāng)前的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)（換算為地面坐標(biāo)系）和慣性參考系綜合獲得夾 角的辦法。另外，陀螺儀是一個(gè)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)參考系的傳感器，所以想要用 它來(lái)做角度計(jì)算除了積分外還必須首先初始化開(kāi)機(jī)的角度，否則會(huì)測(cè)不準(zhǔn)。在 Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí) ，不需要平衡扭矩，就讓 PID 改變?cè)O(shè)置補(bǔ)償高度就好。 控制算法小結(jié) 無(wú)論如何更改結(jié)構(gòu)，在此，筆者需要補(bǔ)充的是，本設(shè)計(jì)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應(yīng)該怎么合理的解決 PID 不能作為多輸入多輸出系統(tǒng)的控制算法的問(wèn)題。 為了完成這個(gè)目標(biāo)，在此先做簡(jiǎn)要分析：要保持一定傾斜角度不變，我們只能讓一條對(duì)角線上電機(jī)一個(gè)增速，一個(gè)減速，完 成傾斜。 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 24 設(shè)計(jì)中，先控制懸停，當(dāng)懸停完成后，再開(kāi)始糾正 Z 軸的方向問(wèn)題 。本設(shè)計(jì)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(huì)要傾斜。那么轉(zhuǎn)速和高電平持續(xù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就改變了。而狀態(tài)的改變就會(huì)帶來(lái)新的情況，如下分析： 其一，在斜流狀態(tài)中不可能忽視斜流帶來(lái)的阻力影響。 小結(jié) 在這一節(jié)中，