【正文】 次它的信息輸出依據(jù)來源于閉環(huán)設(shè)計(jì)。將執(zhí)行設(shè)備的電壓作為等效電壓并輸出即可。 擺式積分陀螺原理就是和陀螺儀的原理一樣，在受到外部接連物的旋轉(zhuǎn)變化時，自己跟隨轉(zhuǎn)動，制作加速度計(jì)時讓轉(zhuǎn)子固定不動，形成擺，其他設(shè)計(jì)原理與閉環(huán)液浮擺式一樣。 差分電容由獨(dú)立固定板和活動質(zhì)量連接板組成，能對結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測量。 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 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 就是有 32 級 FIFO 緩存，存儲了就近時間內(nèi) 32 組三軸加速度數(shù)據(jù)。連接方式如圖 所示，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)更新時給中斷信號，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，通過加速度計(jì)積分一次就可以得到。 圖 ADXL345 數(shù)據(jù)格式 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 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。沖擊 還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級的改變，但新的角速度方向已和新的動量矩方向不一致。 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 道我們自身有沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這個偏轉(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，在一個旋轉(zhuǎn)盤上不同半徑位置的線速度不同，當(dāng)物體從盤心沿徑向向外運(yùn)動時起對地線速度在增加，根據(jù)牛頓第一定律，沒有外力的作用速度就不會發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應(yīng)該存在一個這樣的力的作用，這 就是他提出的假象力。通過測量容值變化就可以分析 出科里奧利力的大小，這個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傳感器。 對于地磁傳感器而言，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，沿外加電場方向運(yùn)動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。但價(jià)格昂貴，筆者在做比賽時使用過，非常好用，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒有噪聲，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) 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 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軸方向的一個自由度。 而前進(jìn)、后退、側(cè)飛三個動作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行 器傾斜，在傾斜時，飛行器受重力作用分解出水遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 14 14 平方向的加速度，形成前進(jìn)、后退、側(cè)飛兩個動作。 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力學(xué)模型，要求方法有動量理論 、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加速進(jìn)入槳盤，這個過程中，氣流開始匯聚，經(jīng)過槳盤后由于排壓作用繼續(xù)加速和匯聚直到槳盤下方大約二分之一槳盤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： 至此說明： 按前文的推論，原始式是式（ ），按動量定理建立，之后的四個式子都是一種目標(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。而對于槳葉微元來說，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，還原為一個常數(shù)。如果能保證無自然風(fēng)的影響，每次前行時傾斜的角度都固定，這兩個兩個參數(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)秀的算法可以用來你有效的控制非線性系統(tǒng)，例如反步法（ Backstepping）、滑?？刂疲?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，對于非線性系統(tǒng)的控制能力遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 20 20 并不是很強(qiáng)，為了彌補(bǔ)這個缺點(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。首先對于懸停任務(wù)，給定 X 軸角度為 0， Y軸角度為 0， Z軸無角速度即可，那么就形成了三個偏差輸入；四個控制輸出；這四個輸出又用來控制機(jī)體六個自由度都不能運(yùn)動的局面。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控制環(huán)來作為補(bǔ)償。在接下的遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 分析中，因?yàn)榻?jīng)典 PID 算法只是一個計(jì)算公式，也僅僅只是三個參數(shù)的選擇（本系統(tǒng)因?yàn)槠涮厥庑灾荒芤粋€一個的測試）。但是缺點(diǎn)也很顯著， PID 三個參數(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渡到達(dá)平衡點(diǎn)，三個參數(shù)任何一個參數(shù)過小都會使得響應(yīng)時間變長或不能有效抑制干擾信號，任何一個參數(shù)過大都可能過大的超調(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，建立七級模糊語句：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，就將對所有輸入數(shù)據(jù)情況 作具體分析。也就是說按如上做法，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上產(chǎn)生作用帶來的影響。 其三，這一切的問題包括懸停控制時，都還忽略了電機(jī)的過渡過程，無刷電機(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，由于沒有前行速度，沒有傾角，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 PID 環(huán)以一個固定的 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)。所以筆者改變設(shè)計(jì)方案，一旦下達(dá)傾斜指令，控制一條對角線上的電機(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，在此筆者做出說明是，高度反饋時必須引入的，本設(shè)計(jì)也引入了，而在本章并沒有闡述原因是，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 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 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，自動由科里奧利力結(jié)算出此時的角速度。而加速度計(jì)不會出現(xiàn)這樣的問題，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)不會區(qū)分重力加速度和外力加速度，在高速運(yùn)動時，無法準(zhǔn)確給出加速度數(shù)據(jù)。 簡而言之，就是由陀螺儀和加速度構(gòu)成一組角度測量，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)用定時中斷的方式輸出 PWM 給對應(yīng)電調(diào)。 在重裝時，所有的數(shù)據(jù)都是 56 幀的數(shù)據(jù)，其中若為 6 幀時有一幀數(shù)據(jù)是遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 28 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)?流程圖過于復(fù)雜，本文不再給具體流程，請直接參看程序即可。在修改完四個電機(jī)之后，重開串口中斷并關(guān)閉定時中斷，保障中斷不會沖突。 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。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 論文小結(jié) 經(jīng)過了這一次畢業(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)科知識的深度 和廣度。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 32 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。 最后對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝。他淵博的知識、開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)為選擇一個略高于自己目標(biāo)難度的課題對自己的鍛煉更大。所以分析完傳感器的處理之后，應(yīng)該對于系統(tǒng)物理模型進(jìn)行建立。所以，本設(shè)計(jì)對于剛剛接觸四軸飛行器的人來說是非常好的入門參考設(shè)計(jì)。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 30 30 總結(jié) 選擇這個課題作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，也是對自己極大挑戰(zhàn)，在整個設(shè)計(jì)中有相當(dāng)多的知識都是要在碩士研究生階段才會學(xué)到的知識。本設(shè)計(jì)中， MSP430 工作在 8MHZ 的機(jī)器周期下，用定時中斷可以在 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，一共會有 3 段，所以必須用一個控制位，選遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 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)重裝為我們接下來做 PID 運(yùn)算的反饋輸入。 然后開啟串口中斷，每次到來數(shù)據(jù)是，進(jìn)行比較，找到“ YPR=”這五幀數(shù)據(jù)，才開始保存真正的數(shù)據(jù)。具體推導(dǎo)過程請參考文獻(xiàn) 【 15】 ： 式子（ ）是預(yù)估式， 式子（ ）是校正式。它通過上一時刻的估計(jì)值和當(dāng)前時刻的觀測值來計(jì)算實(shí)際當(dāng)前時刻的真實(shí)值，而算法式也就是由預(yù) 估和校正兩部分構(gòu)成并采用遞歸算遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 26 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，陀螺儀是一個沒有標(biāo)準(zhǔn)參考系的傳感器，所以想要用 它來做角度計(jì)算除了積分外還必須首先初始化開機(jī)的角度，否則會測不準(zhǔn)。在 Z軸旋轉(zhuǎn)時 ，不需要平衡扭矩，就讓 PID 改變設(shè)置補(bǔ)償高度就好。 控制算法小結(jié) 無論如何更改結(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)的控制算法的問題。 為了完成這個目標(biāo)，在此先做簡要分析：要保持一定傾斜角度不變，我們只能讓一條對角線上電機(jī)一個增速，一個減速，完 成傾斜。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 24 24 設(shè)計(jì)中，先控制懸停，當(dāng)懸停完成后，再開始糾正 Z 軸的方向問題 。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，就必然會要傾斜。那么轉(zhuǎn)速和高電平持續(xù)時間的對應(yīng)關(guān)系就改變了。而狀態(tài)的改變就會帶來新的情況，如