【正文】 入和模擬輸出接口 ，在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，除電機(jī)外的其余硬件都可以支持 5V供電，通過(guò)分電板的降壓模塊，可以持續(xù)輸出 5V的電壓，為控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。 圖 四旋翼方向控制 四旋翼飛行器的 控制方向分為升降，偏航，油門(mén)，滾 轉(zhuǎn) (圖 )。通過(guò)改變遙控器的升降通道，使前后側(cè)的電機(jī) 1和電機(jī) 2 增大轉(zhuǎn)速，電機(jī) 3 和電機(jī) 4 減小轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)速的電機(jī)將使機(jī)臂抬升，而減小轉(zhuǎn)速的一側(cè)將機(jī)臂降低，使四旋翼前后運(yùn)動(dòng)。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)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(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。遙控器通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)不同通道的搖桿，使遙控器發(fā)出PPM 信號(hào)，由安裝在飛行器上的無(wú)線遙控接收機(jī) 接收遙控器發(fā)來(lái)的 PPM 信號(hào)，再進(jìn)行解碼。 飛控上的姿態(tài)傳感器測(cè)量飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，通過(guò)姿態(tài)解算，得到需要每顆電機(jī)修正的轉(zhuǎn)速大小，運(yùn)用 PID 算法，從而將 PWM 信號(hào)輸出給電子調(diào)速器，通過(guò)電調(diào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速修正姿態(tài)控制指令 無(wú)線模塊 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 主控制器 三軸陀螺儀 三軸 加速度計(jì) 三軸磁力計(jì) 姿態(tài)解算 PID控制 PWM1 PWM2 PWM3 電調(diào) 1 電調(diào) 2 電調(diào) 3 電調(diào) 4 電機(jī) 2 電機(jī) 3 電機(jī) 4 電機(jī) 1 PPM信號(hào) PWM4 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 姿態(tài)，當(dāng)接收機(jī)傳給飛控一個(gè)偏航指令時(shí)，飛控將此指令與姿態(tài)解算的結(jié)果相互融合計(jì)算出每顆電機(jī)的修正轉(zhuǎn)速，再輸出給 電子調(diào)速器，控制飛行器的姿態(tài)達(dá)到需要的位置。通過(guò)外加傳感器安裝在飛行器上來(lái)測(cè)量飛行器的當(dāng)前高度，通過(guò)高度的變化可以由控制板來(lái)自動(dòng)控制油門(mén)的 PWM信號(hào)，再傳遞給飛控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制飛行器高度。而自動(dòng)模式下，控制板將接收傳感器的高度信號(hào)，通過(guò)計(jì)算高度的變化，輸出不同的油門(mén) PWM 值大小傳遞給飛控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行器的高度自主控制。 INSBB = pulseIn(SB1, 1)。 將超聲波 觸發(fā)引腳，置高電平，觸發(fā)超聲波測(cè)量高度，超聲波返回高度信號(hào)給控制器，記錄當(dāng)前高度 ， 如果記錄的高度大于 250 或者小于 3，則作為高度限幅，此次高度作廢，以上一次測(cè)量的高度作為此次高度輸出。首先檢測(cè)當(dāng)前高度 d1，將超聲波觸發(fā)引腳，置高電平，觸發(fā)超聲波 測(cè)量高度，超聲波返回高度信號(hào)給控制器，記錄當(dāng)前高度 ， 如果記錄的高度大于 250或者小于 3，則作為高度限幅，此次高度作廢，以上一次測(cè)量的高度作為此次高度輸出。// 獲得濾波器輸出值 滑動(dòng)濾波 將輸出的滑動(dòng)濾波值與手動(dòng)模式下的設(shè)定高度值 H進(jìn)行高度差的計(jì)算，并將高度差和手動(dòng)模式下的油門(mén)值 THR 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出運(yùn)算結(jié)果為 o，作為油門(mén)的輸出量，當(dāng)輸出值大于 1550 或小于 1250 時(shí)，進(jìn)行輸出限幅，油門(mén)為上一次的運(yùn)算結(jié)果。 PID控制程序分析 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 //pid 控制算法 define P_VAL (errorLastError_1) //P,I,D 各項(xiàng)的 3 個(gè)值 define I_VAL ((error+LastError_1)/2) define D_VAL (error2*LastError_1+LastError_2) int LastError_1=0。 //定義參數(shù) I float Kd=。比例，積分，微分系數(shù)的整定是算法調(diào)試中的關(guān)鍵，其中 P_VAL為比例項(xiàng)， kp 為比例系數(shù)； I_VAL 是積分項(xiàng)， ki 是積分系數(shù)； D_VAL 是微分項(xiàng)， kd是微分系數(shù)。 Kp 的整定結(jié)束后，依次整定 ki 與 kd兩個(gè)系數(shù)。定高的實(shí)現(xiàn)主要由超聲波高度信號(hào)的讀取和油門(mén)信號(hào)的輸出，最終需要進(jìn)行的是 PID 算法中三個(gè)參數(shù)的整定，并將油門(mén)控制信號(hào)傳送給飛控實(shí)現(xiàn)控制功能。接收機(jī)對(duì)頻主要在遙控器中完成。接收機(jī)將 PPM控制信號(hào)解碼為各個(gè)通道的 PWM信號(hào)分別輸送給飛控的各個(gè)通道。在 Vehicle Setup Wizard 中進(jìn)行初始化 ， 由發(fā)射機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)為 PPM 信號(hào)，在飛行器上的接收機(jī)通過(guò)解碼轉(zhuǎn)為 PWM信號(hào)發(fā)送給飛控，所以接收機(jī)類型為 PWM。圖中也給出了電子調(diào)速器的連接順序，北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 旋轉(zhuǎn)方向中的數(shù)字代表了電子調(diào)速器連接飛控的順序。 圖 飛控校準(zhǔn)水平 在設(shè)置中 ，每個(gè)通道都有最大值和最 小值，需要對(duì)電調(diào)進(jìn)行行程校準(zhǔn)，確定每個(gè)電調(diào)的最大和最小值輸出。校準(zhǔn)需要通過(guò)撥動(dòng)遙控器搖桿到最高和最低位置來(lái)確定 （圖）。 通過(guò)編寫(xiě)超聲波測(cè)量程序并通過(guò)串口顯示得到超聲波測(cè)量的數(shù)據(jù)是否與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)一直并且沒(méi)有波動(dòng) ， 通過(guò)串口顯示出的超聲波的測(cè)量距離與實(shí)際相符并且沒(méi)有北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 較為平穩(wěn) ， 所以可用此超聲波作為高度測(cè)量傳感器 （圖 ） 。測(cè)量油門(mén) PWM 信號(hào)的大小可以通過(guò)接收機(jī)輸出的油門(mén)信號(hào)由控制板測(cè)量，通過(guò)串口在上位機(jī)上顯示油門(mén)高低的 PWM 值。為了得到更準(zhǔn)確的信號(hào)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)濾波算法后 ， 濾波效果相對(duì)顯著有效。涉及到預(yù)設(shè)量就是飛行器的高度，被調(diào)量為油門(mén) PWM 值，而輸出量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。為了時(shí)系統(tǒng)更快的到達(dá)穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是減小系統(tǒng)的震蕩次數(shù)，就需要 D控制的參與，即微分控制，北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 微分控制是油門(mén)的輸出量與高度的變化率成正比，可使系統(tǒng)以最快的速度恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 //參數(shù) D float output=nowOutput+Kp*(errorLastError_1)+ Ki*((error+LastError_1)/2) +Kd*(error2*LastError_1+LastError_2)。 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)通過(guò)測(cè)量飛行器高度的變化過(guò)程可以看出參數(shù)的整定優(yōu)良， 圖 中，一條折線變化很大，此 PID參數(shù)的整定值不太合適，通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)調(diào)參，得到了另一條相對(duì)平穩(wěn)的這線，此時(shí)的 PID 參數(shù)比較合適，能夠使飛行器達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 超聲波高度數(shù)據(jù) 折線圖 為了解決此問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果顯示電機(jī)的噪聲和機(jī)架的強(qiáng) 烈震動(dòng)會(huì)影響超聲波的數(shù)據(jù)信號(hào)，所以將超聲波傳感器放置離電機(jī)距離相對(duì)較遠(yuǎn)的位置，并且加以減震 ， 此時(shí)超聲波傳感器的信息數(shù)據(jù)就趨于平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度震顫的情況。 所以在飛行器姿態(tài)變化時(shí)，飛行器輕微的傾斜導(dǎo)致超聲波無(wú)法與地面垂直并不會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果；超聲波測(cè)量相對(duì)距離，所以可以在有地形變化的情況下，實(shí)現(xiàn)地形定高。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 結(jié) 論 本課題針對(duì)四旋翼飛行器設(shè)計(jì)了飛行器自動(dòng)定高的控制系統(tǒng) ， 完成對(duì)四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)飛行器的測(cè)試任務(wù)。該系統(tǒng)可以在一定的高度內(nèi)對(duì)飛行器實(shí)現(xiàn)高度的自主控制，使飛行器在不同的路面或者傾斜地面上進(jìn)行相對(duì)高度位置確定的自主控制。通過(guò)工程整定法調(diào)節(jié) PID 參數(shù)， 經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和參數(shù)調(diào)試證明了此自動(dòng)定高控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的高度自主控制，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的結(jié)果。 此飛行器自動(dòng)定高系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)自動(dòng)定高選用了 arduino 控制板進(jìn)行嵌入飛控與接收機(jī)作為油門(mén)的控制，有效的實(shí)現(xiàn)飛行器的手動(dòng)自動(dòng)切換和自動(dòng)定高的實(shí)現(xiàn)功能，并通過(guò)控制板調(diào)節(jié)油門(mén)輸出進(jìn)而控制飛行器高度。 飛行器控制系統(tǒng)的不足： 由于選用了控制板的嵌入，油門(mén)通道 的信號(hào) 無(wú)法第一時(shí)間傳送給飛控， 在控制器中進(jìn)行了有一次的運(yùn)算， 導(dǎo)致在控制飛行器時(shí)會(huì)有一定的延時(shí)，而精度也會(huì) 受 到相對(duì)的影響。畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文的考驗(yàn)也使我對(duì)未來(lái)的道路充滿了挑戰(zhàn)和憧憬。 在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最 忠 心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。西蒙斯 .模型飛機(jī)空氣動(dòng)力學(xué) [M]．航空工業(yè)出版社 ,2021:528. [4] Fahlstrom P G．無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 [M]．吳 漢平譯．北京 :電子工業(yè)出版社 ， 2021:7987. [5]劉曉杰 ,趙曉暉 ,顧海軍．微小型四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．電子技術(shù)應(yīng) 用 ， 2021（ 5） :2940. [6]楊慶華，宋召青 .四旋翼飛行器的建模控制與仿真 [N].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào) ,2021: 05. [7]李秀英，劉彥博 .基于 PWM 的四旋翼飛行器控制方法 [N]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版， 2021:05. [8]劉峰，呂強(qiáng)，王國(guó)勝，王東來(lái) .四軸飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2021,15 (2):1923. [9]邱曉紅，景華 .無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) [J].航空科學(xué)技術(shù)， 2021:01. [10]Scott .A Small Semiautonomous Rotarywing Unmanned Air Vehicle[D].University of Pennsylvania,2021:1829. [11]ALTUG based control of unmanned aerial vehicles with applications to autonomous four rotor helicopter quadrotor[D]. University of Pennsylvania,2021:512. 。 Jeremy Goldin 尤其要強(qiáng)烈感謝我的指導(dǎo)老師 張東波老師， 在我對(duì)設(shè)計(jì)和論文感到強(qiáng)大的壓力和許多的未知時(shí)，您 對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助。 由于沒(méi)有給予超聲波傳感器在飛行器姿態(tài)上的補(bǔ)償，而超聲波傳感器測(cè)量的是與地面的垂直距離，所以在飛行器偏轉(zhuǎn)角度極大時(shí)，超聲波傳感器測(cè)量的高度數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，所以飛行器只能進(jìn)行較小的偏轉(zhuǎn)。 利用超聲波模塊來(lái)檢測(cè)高度，由于超聲波模塊測(cè)量精度高，距離大，并且有測(cè)量北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 角度范圍。 四旋翼使用的超聲波傳感器受到四旋翼姿態(tài)偏轉(zhuǎn)的限制，無(wú)法在大角度偏轉(zhuǎn)時(shí)完成定高功能，因此，下一步還需要跟飛行控制器中的姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，補(bǔ)償飛行器在姿態(tài)偏轉(zhuǎn)中造成的誤差損失。定高的實(shí)現(xiàn)主要由 超聲波高度信號(hào)的讀取和油門(mén)信號(hào)的輸出，最終通過(guò)整定 PID 算法中三個(gè)參數(shù)使飛行器在高度上達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的定高。 通過(guò)超聲波傳感器作為高度測(cè)量裝置，控制板嵌入飛控與接收機(jī)之間，通過(guò)手動(dòng)自動(dòng)模式切換實(shí)現(xiàn)油門(mén)的手動(dòng)控制與自主 定高控制。 超聲波在精度上很高，但是超聲波模塊受環(huán)境的影響，在溫度和周圍設(shè)備的干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。可以不需要花非常多的時(shí)間去解讀飛控里繁瑣復(fù)雜的代碼就能夠拓展增加其他飛行功能。當(dāng)油門(mén)關(guān)閉時(shí)，四旋翼飛行器放置在固定的高度位置，超聲波高度數(shù)據(jù)如圖 中 菱形 折線所示 。