【正文】 據(jù)，用YPR=的ASCⅡ碼作為開(kāi)始標(biāo)志位，以逗號(hào)的ASCⅡ碼為分隔幀。而這個(gè)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。除了上升了下降以外，因?yàn)槁菪龢谛D(zhuǎn)時(shí)將空氣往下推動(dòng)的同時(shí)還有水平方向的沖量（最終形成的是氣旋往下），致使也會(huì)在水平方向產(chǎn)生扭矩，這股力的方向和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。基于此，四軸飛行器想要懸停，必須要求四個(gè)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(duì)線(xiàn)上的兩個(gè)為一組）正轉(zhuǎn)，另一組反轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)中將這一個(gè)力的作用用動(dòng)量來(lái)分析，直接得到飛行器所獲得的反作用力，來(lái)用分析的速度也就叫誘導(dǎo)速度（它專(zhuān)指通過(guò)槳盤(pán)時(shí)的氣流速度，下文用表示）【2】。然后利用力學(xué)原理，建立運(yùn)動(dòng)方程即可。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(jiǎn)述了在軸流狀態(tài)的情況，即受到上升拉力和旋轉(zhuǎn)扭矩。本文依據(jù)文獻(xiàn)【3】的分析理論簡(jiǎn)要闡述四個(gè)力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。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(duì)于流體來(lái)講，流速小的地方截面積大，流速大的地方截面積小。在分析中還發(fā)現(xiàn)，螺旋槳在作用氣流向下加速的同時(shí)還使得氣流有一定的扭轉(zhuǎn)，所以反作用于旋翼就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的扭矩，而扭矩的分析和升力的分析類(lèi)似，前人的分析結(jié)果知道了他們的表達(dá)式形式相同，只是系數(shù)不同，所以直接給出目標(biāo)公式為：（） 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。本文不再分析具體內(nèi)容，直接給出結(jié)果為：（）式中是一個(gè)常數(shù)，表示的平均值，對(duì)于來(lái)說(shuō)存在關(guān)系。就是前行速度和的比值。因?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)中，流體的實(shí)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(shí)是簡(jiǎn)單的剛體結(jié)構(gòu)，按一定精確度簡(jiǎn)化后建立模型并不困難，四旋翼的高度非線(xiàn)性就是力和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系非線(xiàn)性產(chǎn)生的。由于采用PID算法（在下一章會(huì)做詳細(xì)算法設(shè)計(jì)分析），它對(duì)于偏差做出應(yīng)該的輸出來(lái)修正，所以整體的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，意義不大。而從機(jī)是集成芯片，集合了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸地磁傳感和一片AVR單片機(jī)，專(zhuān)職用于結(jié)算出姿態(tài)角。它以其不需要考慮精確數(shù)學(xué)模型（對(duì)工程而言只需要調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)就以完成控制）的優(yōu)勢(shì)和出色的穩(wěn)定性、可行性，占據(jù)了大多數(shù)控制場(chǎng)合。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(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置區(qū)域?，F(xiàn)在將X軸取為正對(duì)角線(xiàn)，Y軸取為負(fù)對(duì)角線(xiàn)，那么，可以認(rèn)為Y軸在旋轉(zhuǎn)是由于X軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速不同引起的傾斜旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶給了X軸的前進(jìn)或后退。簡(jiǎn)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(xiàn)性關(guān)系的處理方案；以及分離X、Y軸形成兩個(gè)PID環(huán)，讓他們將自己的所在軸控制為不旋轉(zhuǎn)來(lái)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。以上就是懸停算法的分析，總而言之這個(gè)算法只能在懸停時(shí)使用。而且編程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理量不大。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，并不追求非常完美的加速過(guò)程，讓人感覺(jué)不到加速度的存在，但又一定要求，鑒于原始PID的最大劣勢(shì)，三個(gè)參數(shù)的固定導(dǎo)致在不同階段三個(gè)參數(shù)不能適應(yīng)該種運(yùn)行環(huán)境。簡(jiǎn)要分析而言，Kp參數(shù)即比例參數(shù)的大小決定了被控對(duì)象響應(yīng)的快慢，太小響應(yīng)速度慢，太大又會(huì)引起振蕩，在本設(shè)計(jì)中還會(huì)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(huì)引入系統(tǒng)的超調(diào)，因?yàn)樗囊爰词故欠€(wěn)定的系統(tǒng)也會(huì)在階躍輸入下阻尼振蕩后進(jìn)入下一平衡點(diǎn)；Kd參數(shù)也就是微分參數(shù)用于補(bǔ)足比例的不足，也就是無(wú)法感知偏差的變化率，只對(duì)偏差做出反應(yīng)的情況，以保證在偏差發(fā)生極快變化而又實(shí)際偏差不大時(shí)做出必要的為了保持穩(wěn)定的控制輸出。根據(jù)歷來(lái)的工程師對(duì)于三個(gè)參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，我們得出如下基本控制規(guī)則：當(dāng)偏差在很大時(shí)，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(shí)，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。 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(xiàn)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)題包括懸停控制時(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(xiàn)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 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】?jī)善?。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)榱鞒虉D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。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。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。[3] 聶博文，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)建模及控制方法研究［D］，自然科學(xué)，2006。[5] 許震，毛麗民，劉同連，李增增，施婉，四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］，自然科學(xué)，2013。[9] 聶博文，微小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)建模及控制方法研究［D］，自然科學(xué)，2006。[13] 李顯業(yè)，三軸陀螺儀（常平架回轉(zhuǎn)儀）原理與應(yīng)用［D］，自然科學(xué)，2014。 //delay 用于脈沖延時(shí)計(jì)數(shù) delay1 用于重復(fù)程序執(zhí)行計(jì)數(shù) delay2用于起飛PWM控制 lb用于平均濾波計(jì)算unsigned long int em1=336,em2=336,em3=336,em4=336。unsigned char x1=0,x0=0,y1=0,y0=0。 //UART 串口通信初始化設(shè)置 P1SEL|=BIT1+BIT2。= ~BIT1。 UCA0BR0=0x45。=~UCSWRST。 while(delay)。 delay = a。}void PWM3(unsigned long int a){ P2OUT |= 0x04。= 0xfb。 P2OUT amp。UCA0TXIFG)==0)。 Init_uart0()。 DCOCTL = CALDCO_8MHZ。 PWM3(336)。 //PWM3(450)。 if(em2550) em2=550。 PWM2(em2)。UCA0RXIFG )==0)。 if(UCA0RXBUF==0x5Aamp。amp。 if(UCA0RXBUF==0xA1amp。b==1amp。amp。amp。 if(pid==0x00) { if(e==3) { ax1 = UCA0RXBUF。 ////////// ax_1= ax0 + (ax1 amp。 if(ax_1 ax_0) kdx = ax_0 ax_1。 } else { em1 = delay2 (ax_1/3 + kix/10 + kdx*0/10)。 pid = 0xFF。 0x80。 ///////// kiy = ay_1 + kiy。 //////// if(ay1==0) { em2 = delay2 + (ay_1/3 + kiy/10 + kdy/10)。 //電調(diào)輸出不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償 } ay_0 = ay_1。 } } } }附錄二：實(shí)物圖：41。 pid = 0x00。 } else { em2 = delay2 (ay_1/3 + kiy/10 + kdy/10)。 if(ay_1 ay_0) kdy = ay_0 ay_1。 ////////// ay_1= ay0 + (ay1 amp。 } } if(pid==0xFF) { if(e==5) { ay1 = UCA0RXBUF。 } ax_0 = ax_1。 ///////// if(ax1==0) { em1 = delay2 + (ax_1/3 + kix/10 + kdx*0/10)。 ////////// kix = ax_1 + kix。 0x80。amp。amp。c==1) d=1。a==1amp。amp。a==1) b=1。= ~UCA0RXIFG 。 PWM4(em4)。 if(em4550) em4=550。 if(delay2450) delay2++。 } while(1) {