【正文】 10541055． [3] 吳東國．基于四旋翼飛行器平臺的低空遙感技術在公路環(huán)境調查中的應用[J]．公路交通技術． 2021．第 6 期： 137138． [4] 姬江濤，扈菲菲，賀智濤，杜新武，劉劍君．四旋翼無人機在農田信息獲取中的應用 [J]．農機化研究． 2021．第 2 期： 14． [5] 趙晨，杜勇．四旋翼無人機在輸電線路巡視中的應用 [J]．湖北電力． 2021．第36 卷第 6 期： 3536． [6] 張鵬，程飛，曹宇強，孫來，王琪．一種新型四軸搜救飛行器設計 [J]．科技廣場． 2021 年 09 期： 145147． [7] 王帥，周洋．用于危險區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手 [J]．兵工自動化． 202103．第 30 卷第 3 期： 7880． [8] 劉慶元，徐柳華，沈彩蓮，王小平．基于無人飛行器遙感影像的數字攝影測量關鍵技術研究 [J]．測繪科學． 2021．第 35 卷第 1 期： 2830． [9] 秦永元．慣性導航 [M]．第一版．第一次印刷．北京．科學出版社． 2021：59． [10] 王冬來，呂強，劉峰．小型四軸飛行器動力學參數測定方法設計 [J]．科技導報． 2021．第 29 卷第 36 期： 4245． [11] 李 俊，李 運堂． 四旋翼飛行器的動力學建模及 PID 控制 [J]． 遼寧工程技術大學學報（自然科學版）． 2021． 第 31 卷第 1 期： 114116． [12] 肖永利，張 琛． 微型飛行器的研究現狀與關鍵技術 [A]． 宇航學報． 第22 卷第 5 期． [13] 郭曉鴻，楊忠，楊成順，黃宵寧，黃同高，張海黎．一種基于 STM32 的四旋翼飛行器控制器 [A]． 應用科技報． 2021 年 7 月第 38 卷第 7 期． [14] 高應杰，陳鼎新，李榮明． 小型四旋翼無人飛行器控制算法研究 [A]． 。同時也歷練了人的性格 —— 耐心，有韌性，相信自己，不能因為一個模塊遲遲沒有突破就放棄自己。緊接著就是 PID 控制程序的設計和學習。虛心求教使人進步。熟悉了 STM32的操作方法后，我直接進入對 MPU6050的研究，在網上搜索了大量資料，看到這個慣性器件有內置的運動處理單元可以直接輸出姿態(tài)數據，讓我很興奮，因為這無疑減小了自己的工作量。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 28 第 八 章 心得體會 自從選定這個題目之后，我心里就很忐忑，因為 飛行器這方面的知識知之甚少，而且時間也不算充足。后續(xù)工作可以加入 HMC5883L 地磁傳感器，使其更加穩(wěn)定。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 27 第七章 結論 及存在的問題 目前，四旋翼飛行器已經可以平穩(wěn)飛行，可以將實時數據發(fā)送至上位機，遙控器控制正常，基本功能均已實現。 調 PID 的步驟是先要找到等幅震蕩時候的 P 值，然后再加入 D 值進行調節(jié)。 確保電機和螺旋槳已經擰緊，否則將威脅到人身安全。增加D 的值至 ，效果不太明顯，說明還小了。 接下來調 D。把 P 的值加大到 ，飛行器依然向一邊偏，但是偏離水平面的角度較之前變小了。 I 的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差 ，使飛行器最終穩(wěn)定在水平面 。調 PITCH 方向同理。 這里介紹一種用繩子綁住飛行器整定參數的方法。由于陀螺儀輸出的直接就是角速度，因此，可以將微分項改為微分系數與陀螺儀相應軸的輸出量。 將此 PID 表達式轉化為程序語言。 PID 控制器程序實現 本設計采用位置式的 PID 算法控制。不同點是控制的姿態(tài)數據不同，使得兩者帶給主控器的計算量不同。這三種 基本控制規(guī)律可以單獨使用，但更多是組合使用。 在模擬系統中， PID 算法表達式為： ])()(1)([)t( dt tdeTdtteTteKP DIp ? ??? 其中， P(t)表示 PID 控制器的調節(jié)輸出量。 PID 控制器介紹 PID 控制器又稱比例 積分 微分控制器，由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。由于上一節(jié)介紹的姿態(tài)四元數與歐拉角之間的轉換結果中歐拉角單位為弧度，而我們實際使用要將其轉化為度，所以再進行如下變換（以 ROLL 角為例）： RO L LRO L L = * 1 8 0π 即實際變換如下： 22ROL L =a ta n2( 2y z +2 w x,1 2x 2y ) * 57. 3 P I T C H = a si n( 2x z + 2w y ) * 57 .3 2 2 2 2Y A W =a ta n2( 2( w z +x y ) ,w +x y z ) * 至此，姿態(tài)解算完成。但是陀螺儀受外部影響弱，穩(wěn)定性高，動態(tài)性能好，但其只輸出角速度，需要對角速度積分才能得到姿態(tài)，這樣就無法避免積分造成的誤差產生累積。由于加速度計是對比力的測量（作用在單位質量上的非引力外力叫做比力，根據加速度計的工作原理，我們把加速度計又稱為比力計），其很容易受到運動的影響。 本設計中 MPU6050 的 DMP 寄存器直接輸出了姿態(tài)四元數，要將姿態(tài)四元數轉換為歐拉角，轉換數學關系如下： 22R O L L ( Eul e r ) =a ta n2( 2y z +2 w x,1 2x 2y ) P I T C H ( Eul e r ) =a si n( 2xz +2w y ) 2 2 2 2Y A W ( E u l e r ) = a ta n 2 ( 2 ( w z + x y ) ,w + x y z ) 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 22 姿態(tài)解算 首先，慣性器件必須校正。四元數表示方法有： q = w + xi + yi +zi； 或者 Q(w ， x， y， z)。由此可見，旋轉變換對于姿態(tài)解算至關重要。 為了描述飛行器姿態(tài)信息，我們需要引入兩個三維坐標系，一個用來表示飛行器的機體坐標 F，一個用于 表示參考坐標系 R。前者是以物理平臺模擬導航坐標系，而后者則是采用數學算法計算導航坐標系。姿態(tài)解算一旦錯誤，后續(xù)工作做的再好也是沒有用的。 本設計采用了位置式的 PID 控制。而這三個量分屬三個平面，基本上沒有相互制約相互影響的關系。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 20 PID 控制器程序 PID 控制器的主要任務就是處理慣性器件返回的姿態(tài)數據。 這個程序模塊主要就是對定時器進行配置，但是有一點必須注意，那就是主控器輸出的 PWM 頻率必須能夠被電子調速器識別，一般要求其輸出為舵 機信號。當下降沿到來的時候，先將 status 第 8 位置 1，表示成功捕獲到一次高電平，然后 讀取TIM_CNT 至 value，再設置該通道為上升沿捕獲。捕獲狀態(tài)變量的后 6 位用于記錄捕獲高電平后定時器溢出的次數，第 7 位用于表示捕獲到高電平標志，第 8 位是捕獲完成標志。我們將此捕獲中斷設置為優(yōu)先級最高。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 本設計使用了無線接收機的四個通道即：副翼通道、升降舵通道、油門通道、方向舵通道。同時要將其配置為雙線全雙工模式，實現兩個無線模塊間的相互通信。 A 方法的好處是不用局限于特定的 GPIO 口，但缺點是可能通信的質量不如 SPI 模塊。 NRF24L01 無線通信 NRF24L01 無線模塊與主控器之間通過 SPI 協議進行通信。sensor_timestamp， amp。自檢程序可以消除 MPU 測得數據的漂移。 dmp_enable_feature()。這個函數非常重要，它的作用是使能DMP 寄存器的。設 置 加速度傳感器和陀螺儀 的最大量程 mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL)。所有對 DMP 寄存器的操作都必須通過這個庫才能打開 DMP 引擎，進行加速度傳感器和陀螺儀數據的濾波，融合，輸出姿態(tài)數據。同時，下位機將四旋翼飛行器的姿態(tài)數據，電機動作量，遙控器數據通過無線模塊發(fā)送至上位機。因為上位機的功能就是提供一個四旋翼飛行器與人交互的平臺，使人可以看到飛行器實時的 內部數據和狀態(tài)。 FUN表示下位機的功能幀頭。這對整定 PID 控制器的參數有很大的幫助，使得參數調節(jié)方便高效?？梢詫崟r顯示飛行器的 3D 狀態(tài)，實時顯示出 3 個姿態(tài)角，加速度計 3 軸數據，陀螺儀 3 軸數據，地磁計 3 軸數據。 （ 3） 波形顯示?？梢援斪銎胀ǖ拇谑瞻l(fā)數據，可以選擇串口，選擇波特率范圍 1200500000，有數據校驗功能，具備兩種收發(fā)碼格式： CHR、 HEX。 建議最好是把自己的飛控程序下載到主控器，在檢驗飛行器安裝正確與否的同時也可以檢驗自己 PID 程序中 ROLL， PITCH， YAW 輸出量的符號問題。 由于調試需要，要將主控器安裝在可以拆卸，容易插拔線的地方。 電機的安裝要注意，每個電機都與機架所在的水平面呈 90 度角。 X 模式的四旋翼飛行器的慣性器件安裝位置是把＋模式的慣性器件順時針或者逆時針旋轉 45176。 這樣可以解決電調 BEC 供電使電調發(fā)熱的問題 采用常規(guī) 5V 穩(wěn)壓電路即可，對電池輸出電壓濾波，穩(wěn)壓，然后輸出即可。工作電流 30mA。詳細的設置說明可以參考《 WFT07 中文說明書 》 遙控器油門是控制四旋翼飛行器的螺旋槳轉速，油門大，則無刷電機轉速加快，螺旋槳轉速加快。本設計中采用美國手，即左邊搖桿上下圍油門，左右為方向舵。該遙控器采用原生 技術，采用總線數據傳輸，極大提升了操控敏捷度。 圖 mpu6050 天地飛 7 遙控器 天地飛遙控器是深圳天地飛科技開發(fā)有限公司開發(fā)設計并制造的專用航模湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 遙控器，可用在固定翼、直升機及多旋翼等飛行器上。 DMP 寄存器有專門配置的操作文件庫，最初是針對 MSP430單片機寫的，用戶可以在此基礎上稍加修改，便可以移植到 STM32 上來，這樣讀出姿態(tài)數 據經過本人測試，非常準確。 MPU6050 與所有設備寄存器之間的通信采用 I2C 接口。2 ， 177。500， 177。預留出了 XDA， XCL兩個管腳，可以擴展其他的 IIC 設備，比如電子羅盤。 STLink 是意法半導體為 STM8 和 STM32 系列專門設計制造的，其易于安裝，使用方便。因為寄存器的操作具體 到了寄存器的每一位配置。 意法半導體公司為所有 STM32 系列的控制器撰寫了完整的固件庫，目前已經更新到 版本。 芯片內置了一個溫度傳感器。 7 通道 DMA 控制器，支持定時器、 ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等外設。其具有非常豐富的內部資源。所以，如果 飛行器自身過重就會飛不起來，所以電池的容量要選擇合適。 C 是普通鋰電池與動力鋰電池的最大不同，動力鋰電池的容量與 C 值的乘積即為鋰電池的最大放電強度。 正反槳參數解釋： 1045 是指槳的直徑為 10 英寸（ 1 英寸 =254mm），槳的角度是 45176。所謂舵機信號就是指頻率為 50Hz，高電平為 12ms 的 PWM 信號。紅色和黑色線分別接入到電源正負極，白色線用于接收無線接收機的 PWM 信號。 因為輸入的是直流電，而無刷電機需要三相交流電才能驅動，所以，無刷電子調速器對無刷電機的使用至關重要。航模無疑是一個理想平臺。其自身重量非常輕便，加上螺旋槳大約在 285g 左右。當 2 號螺旋槳轉速增加， 4 號螺旋槳轉速減小，飛行器是實現 Pitch 運動。在 X 模式下，飛行器的四個螺旋槳都要參與到飛行動作的調節(jié)中，將圖 1 中機體坐標繞 Z 軸順時針旋轉 45176。當 3 號螺旋槳轉速不變， 2 號螺旋槳轉速增加， 4 號螺旋槳轉速減小，飛行器可實現橫滾運動，即飛行器向左飛。 在＋模式下， A 組螺旋槳與 B 組螺旋槳基本沒有關系。 Roll 角為橫滾角，如圖，設螺旋槳 1 為飛行器機頭。 四旋翼飛行器可分為兩種模式，即＋模式和Ｘ模式。第二，對四旋翼飛行器的飛行原理和基礎知識有詳細認知，為后續(xù)同學打好基礎。還可用于各類勘探工作等。 四旋翼飛行器所 具備的優(yōu)越性能，應用前景十分廣闊。其次，現代控制理論的控制器都要基于對被控對象的精確建模上，如果建模不準確，控制器的性能就會不理想。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 國內有很多針對多旋翼飛行器的技術論壇，也有很多技術論壇專門開設了四旋翼飛行器討論版塊，匯聚了眾多四旋翼 飛行器的愛好者，提供了飛行器技術學習和提升的平臺。此外，大疆還推出了 專門針對模型和玩具市場的 WooKongH 遙控直升機飛控系統， Naza 系列飛控系統， Flame Wheel 風火輪系列輕型多軸飛行器等產品。清華大學、北京航空航天大學、上海交通大學、浙江大學等都有對此項目有很大的研發(fā)投 入并獲取了一定研究成果。比如賓法尼亞大學實現的四旋翼飛行器群可以分別演奏一種樂器，并可以實現相互之間的協調，完成一首交響樂的演奏。之后 HMX4 的研究人員又研發(fā)出一種基于機載與地面雙攝像頭的視覺定位與定姿系統，進一步提高了測量精度。最終在室內實現了 OS4II 基于慣性導行系統的自主懸停。 OS4 已經基于PID、 LQ、 Backstepping 及 Slidingmode 等多種控制算法實現了飛行器姿態(tài)控制。 OS4