【正文】 攝像頭識別飛行器上標記球，完成各種飛行動作。在未來，四旋翼飛行器將大量應用于國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域。 第三部分：四旋翼飛行器總體方案設計 對四旋翼的功能模塊進行劃分并給出系統(tǒng)模塊設計圖及系統(tǒng)工作流程圖，最后簡單介紹本系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的平臺工具。最后給出多維度矢量輸出的實現(xiàn)算法。完成畢業(yè)設計后，對今后的工作、研究提出指導性展望。如圖 所示，四旋翼飛行器消除反作用旋轉扭矩的功能與生俱來。 四旋翼飛行器可以實現(xiàn)多維度的運動姿態(tài)控制，最基本的姿態(tài)是自平衡懸停。升力等于重力，四旋翼在懸停狀態(tài)。 當四旋翼飛行 器沿 Z 軸旋轉時，其轉過的角度稱之為偏航角，該姿態(tài)依靠對角兩組電機的反作用旋轉扭矩失衡來實現(xiàn)偏航運動。找到相應的數(shù)學模型，才能分析系統(tǒng)的可行性，站在巨人的肩膀上，建立了如下數(shù)學模型，如圖 4 所示的機體坐標系 A(oxyz)及空間慣性坐標系 OXYZ，針對數(shù)學模型提出以下假設： 圖 四旋翼飛行器 6 維度運動原理圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 6 (1) 四旋翼飛行器是一個剛體，質地均勻且完全對稱 (2) 質心與機體坐標原點重合 (3) 四軸飛行器槳葉不發(fā)生形變 (4) 四旋翼在各個維度的運動速度與四軸電機的輸出呈線性關系 在此假設條件下，根據(jù)牛頓第二定律，四旋翼模型可以看成是轉 子旋轉而產(chǎn)生空氣動力的模型，其動力方程式如下： 方程式內(nèi)， 表示四旋翼飛行器慣性坐標原點到質心的長度； m 指四旋翼的質量。 3 四旋翼 飛行器總體設計 功能模塊劃分 系統(tǒng)可以劃分成硬件和軟件兩大部分。 系統(tǒng)模塊設計圖 由 的功能模塊劃分，可以得出以下系統(tǒng)模塊設計圖，本次設 計的四旋翼飛行器將按照圖 所示的各個模塊進行設計。本設計采用的是本公司的試用版的 Altium Designer 進行雙層 PCB 電路板的繪制。 Keil for ARM 介紹 Keil for ARM 是 Keil Software 與 ARM 合作開發(fā)應用于 ARM 編程的軟件編譯環(huán)境，其優(yōu)點是擁有極高的目標代碼生成效率，緊湊的匯編代碼轉化； C 語音編程方面，結構性、可讀性、可維護性更強，友好的編輯環(huán)境通俗易懂，在程序下載燒錄方面，更是簡單快捷。 圖 Altium Designer 登陸界面 圖 虛擬示波器界面 煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 10 4 四旋翼飛行器 詳細 方案 設計 本章節(jié)將從硬件及相應的驅動軟件進行講解四旋翼飛行器的詳細方案設計。最小系統(tǒng)板的原理圖如圖 所示。同時，通過配置功能寄存器，還可以得到芯片內(nèi)部自行融合的三軸角度值，除此之外，MPU6050 還集成了基于地球磁場感應的三軸數(shù)據(jù)功能，加上該傳感質 量輕，輸出數(shù)據(jù)平滑，是航模制作中常用的傾角傳感器，其原理圖如圖 所示。 NRF24L01 無線模塊 NRF24L01 無線模塊，通信頻率在 頻段，市面上賣該模塊的商家很多，價格不貴，且專業(yè)化生產(chǎn)比自行設計的要穩(wěn)定，故本設計采用的是模塊化的 NRF24L01 無線模塊，采用 SPI 通信協(xié)議實現(xiàn)與控制芯片的信息交換。 RCC 配置如圖 所示。配置函數(shù)如圖 所示。價格也圖 系統(tǒng)鎖相環(huán)時鐘配置驅動程序 I I C 配 置 寫 控 制 字 讀 取 數(shù) 據(jù)圖 MPU6050 配置流程 圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 14 不高。 四旋翼飛行器最終的 PCB 圖如圖 所示，實拍圖如圖 所示。 互補濾波器可行性分析 IIC 采集回來的傾角數(shù)據(jù)是有噪聲的，如圖 所示。 圖 帶噪聲的 MPU6050 原始傾角數(shù)據(jù) 陀 螺 儀 ω積 分比 例+++++加 速 度 器角 度角 速 度圖 互補濾波器原理框圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 17 有互補濾波器的原理圖，可以得出如（ 2）式所示的互補濾波器的數(shù)學模型， 將互補濾波器拆分成兩部分，加號左邊構成高通濾波器，右邊構成低通濾波器。 由此將兩者特性結合起來應用，可以滿足濾除四旋翼飛行器傾角信號噪聲的缺點，還原飛行器真實的角度。參數(shù)整定將在調(diào)試部分講解。在自動控制理論課中證明過 PID 控制的諸多優(yōu)點，筆者選擇 PID 除了能從書本上的證明論證可行性 之外，還從飛行器自身的特性來考慮。 最后是積分分量，是否加積分量需要看前面的 PD 控制是否能滿足四旋翼飛行器的自平衡，如果 PD 調(diào)節(jié)達到上限，系統(tǒng)還有靜態(tài)偏差時，則加入積分加以修正。本系統(tǒng)應用的是 PID 模型是根據(jù)硬件特性類比 PID 算法得出的控制算法，在編程上有一定的共同之處。 001( e ) y ( 3 )tPdi dey K e d t TT d t? ? ? ? ??????????????????1 001( e * T ( ) ) ( 4 )n nnn p n k dkieey k e T yTT ???? ? ? ? ?????????????????100e ( ) ( 5 )**,knn p n a k b n nkp p dabiiy k K e K e e yk T k TTT??? ? ? ? ? ???????????????????式 中 ： k圖 飛行器控制算法軟件實現(xiàn) 圖 PID 控制原理框圖 n P * 偏 差 角 度n D * （ 角 速 度 + Δ e r r o r ）+輸 出 控 制 量+濾 波 后 角 度給 定 角 度 值+n I * Σ e r r o r煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 19 多維度控制量輸出融合算法 四旋翼飛行器坐標系如圖 所示，如果將 XY 軸的控 制量輸出進行分解，每個電機將得到兩個軸的 PWM。 多維度角度融合算法軟件實現(xiàn)如圖 所示。 本章介紹了互補濾波器的原理及可行性分析并根據(jù)筆者的理解，分享了對 PID 的算法的應用心得，最后介紹了多維度控制量輸出算法的原理及軟件實現(xiàn)。讀取 MPU6050 需要先對芯片控制寄存器寫入控制字，設定工作模式后，才能從存儲相應軸數(shù)據(jù)的寄存器讀取測量值。經(jīng)過一番艱苦的專研后，完美的數(shù)據(jù)被采集回來如圖 所示。 提出假設并實驗驗證，排查結果如下： （ 1） 最小系統(tǒng)板設計電磁兼容性差，高頻信號影響了通信： NRF24L01 通信頻段為，最小系統(tǒng)板上沒有能達到該頻段的器件，該假設不成立。選 購 NRF 模塊一定要弄清楚具體的參數(shù)。電機輸出方向必須正確 ，否則飛行器無法正常飛行，測試任何一個量，在不確定符號的情況下，需要將別的輸出量屏蔽掉，找對方向了再加回原來的量，這樣不易出錯。 需要整定的參數(shù)前面 2 個相對簡單，后面的這個 是比較麻煩的，調(diào)大了會過沖如圖 所示，調(diào)小了會跟隨緩慢，如圖 所示，這樣的滯后波形是無法應用到飛行器上的；只有調(diào)節(jié)合適了才會得到如圖 所示的平滑曲線。先調(diào)試 X 軸的參數(shù)，是飛行器能在該軸上趨于平衡，在調(diào)試 Y 軸參數(shù)?；蛟S中間改個簡單的題目可以安逸的答辯，安逸的領到畢業(yè)證，但是這樣做的意義都不大。 當然還有 王 **院長及所有給我上過課的老師們，是你們將我的自動化知識體系一點一點筑起來的，這些知識，足以讓我在社會立足，找到作為自動化人的自信！謝謝！ 煙臺大學畢業(yè)論文（設計） 26 參考文獻 [1]劉杰 .四軸飛行器研究與設計 [D].南京：南京郵電大學 . 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