【正文】 首先必須認識到， PID 算法因其局限性，只能控制單輸入單輸出的系統(tǒng)，為了能夠使用 PID 算法，我們只能做出一定的簡化和改變 輸入輸出結構。建立論域后模糊量化，建立隸屬度函數(shù)表，然后按控制規(guī)則考慮所有可能偏差和偏差變化率輸入的情況，逐一代入按 Mamdani 算法計算出模糊推理結果，此時還是模糊數(shù)據(jù)。并取十七級量化等級（量化等級越高，輸入時模糊化的隸屬度離散化的精確度越高，但同時每增加 1級控制表增加一行一列，表將會越來越大）保證一定的離散模糊化精度。 模糊控制規(guī)則的建立 PID 三個參數(shù)中比例是最主要也是最重要的控制環(huán)節(jié)（筆者自認為），因為可定方向的四軸飛行器設計 22 積分需要時間累積，微分需要控制輸出引起偏差變化帶來信息源才能輸出信號，所以都不可能脫離比例環(huán)節(jié)的單獨存在，同時比例環(huán)節(jié)是響應速度的最重要的控制環(huán)節(jié)，它的大小直接影響被控對象的響應速度。 PID 三個參數(shù)的大小對于響應波形的影響 對于系統(tǒng)來說， PID 三個參數(shù)的大小決定了響應的情況。但在投入運行后可以讓響應速度和加速度限制這一組矛盾有效的解決，日本的特快列車的制動控制模型就是模糊控制對于這類矛盾可以很好解決的最 好例子。對于目前最常用的 PID 算法 來說，優(yōu)勢很明顯，只有三個參數(shù)需要整定，不需要輔助工作，整定后，即使模型建立有偏差，仿真結果和實際有偏差但只要微調參數(shù)就可以改善，而完成預設工作。而我們如上述處理的結果是帶來了調整之后的不平衡（對角線上的兩個電機增加、減少相同的轉速會略微提升這 一組軸的升力和扭矩），而對于升力來說，很小的變化不會帶來實質的反應（因為機身很重），但是扭矩則不然，一點的變化都可能會引起 Z軸的自轉（至少比上升下降靈敏得多），所以補償就是引入 Z 軸的旋轉參數(shù)，給定為零，以偏差的正負選擇補償哪個對角線上的較低速電機。在控制懸停時，首先我們假設處于微調狀態(tài)，轉速和力的關系可以近似線性化，那么就可以變?yōu)橛?X 軸輸入做PID計算后控制 X軸兩顆電機做相同轉速調整（也就是認為只有一個 ），這樣就做成了單輸入，單輸出的控制結構（ Y 軸同理）。 首先六個自由度按前文講述，分別是三個軸的平移和旋轉，每一個軸兩個自由度。當然如果傳統(tǒng)的固定值 PID可以完成任務最好不過。 PID 技術從 上世紀 50 年代就已經被研究透徹，建立的經典控制理論也成為如今最實用的控制算法方案。在本設計中，采用主從機結構，主機為 MSP430 單片機負責根據(jù)下位機傳遞三軸角度數(shù)據(jù)代入控制算法計算， 并將結果換算成用于控制電調的 PWM 波信號。 由于本設計中，采用 PID 算法，并 不是根本具體的運動模型來做詳細分析，所以本設計中模型建立到此為止，只需要利用四個力和轉速之間的關系并可以實驗測量即可。 這樣通過式（ ）建立二元一次方程就可以解出其他未知數(shù)。這幾個數(shù)對于本設計的旋槳來說都是很難直接計算的，只能通過實驗獲得，他們中除了 ??、 都和螺旋槳的形狀相關，而 ? 稱之為流入比，按如下關系建立： 其中 s? 是入流角，不同的氣流這個角都是不同的，所以很難整定這個系數(shù)。 在之前的分析中，主要是利用動量原理，集總分析出誘導速度和力之間的關系，而葉素理論就是利用將槳盤看做無限薄的平面，然后葉片被無限細分，分析每個細微槳葉的相對氣流，在根據(jù)葉素的幾何、運動特性確定葉素上的基元力，再積分出實際力的大小 【 3】 的分析理論。螺旋槳輸出的功率作用于氣流產生誘導速度，我們就可以用動量定理來分析出這個力的大?。ū仨氄f明的是，誘導速度的大小在實際中恰巧等于最大速度的1/2），按文獻 【 2】 的分析這個力大小為： 因為我們需要的是轉速和力的關系，所以配合乘上一個調和常數(shù) TC 引入目標 式，式子變?yōu)椋? 這就是升力的和轉速的關系式。在這個過程中除了推動了氣流外還聚攏了上部氣流。隨之就帶來另外兩個不可忽略的力作用：阻力和側向力矩。首先使用動量理論分析誘導速度和力直接的關系，而誘導速度是升力、扭矩、阻力、側向力矩四個力的共同作用結果，但本文敘述時，首先給出了最終分析結果的式子，這個式子是我們的目標式，目標式的建立依據(jù)一是實驗下確定了力與轉速的平方確實存在正比關系但具體系數(shù)未知，二是這個式子和按動量分析下用誘導速度的平方建立的式子十分將近， 所以借用調和系數(shù)整理給出假設式，再用葉素理論建立另一個轉速和力的關系式反算給出調和系數(shù)的表達式。在分析時，首先建立出力和螺旋槳轉速的關系，并集總分析施加在飛行器上的力的方向等。 四軸飛行器模型建立辦法 四軸飛行器的飛行動力，來源于螺旋槳的旋轉所帶來的空氣流動，受其反 作用的影響產生上升的力（這個力的分析詳參文獻 【 2】 ）。讓其中一組正轉產生升力，另一組反轉產生升力，這樣就用一組去抵消另一組旋翼的扭矩，保持不會自身旋轉。當四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時，飛行器加 速上升同理可以完全懸停和下降。這和 MPU6050 并不相同，后者只輸出三軸方向上的偏移角度，再開機時自動校準了水平位置，把地磁數(shù)據(jù)做成GPS輸出。 利用傳感器的 AVR串口直接輸出數(shù)據(jù)，用 YPR=的 ASCⅡ碼作為開始標志位，以逗號的 ASCⅡ碼為分隔幀。 本章小結 可定方向的四軸飛行器設計 12 本章主要介紹了在四軸飛行器中所用的傳感器的大概原理和傳感器的選擇。磁阻效應：載流子的運動必須要求有電動勢也就是導體內的電場力作用才能移動，當存在磁場時，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉（類似霍爾效應），在達到穩(wěn)態(tài)時，某 — 速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏 轉。 如果許多智能產品，最典型的如智能手機，在有房屋遮擋位置，也就是不能搜星的位置也能精確定位坐標的原理就是采用九軸的數(shù)據(jù)融合技術。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式設計制造的芯片，輸出采用標準 IIC 總線協(xié)議，由 SCL 和 SDA 引腳傳遞數(shù)據(jù)。 實際陀螺儀的測量原理就是利用科里奧利效應設計的，這個在上文假設的轉盤就是被測的剛體，其沿自轉軸旋轉。但在實際應用中不可能讓一個轉子保持在每秒幾萬轉的飛速旋轉條件下，所以實際的陀螺儀并不是真的有轉子在其中，而是利用科里奧利原理設計出來的。由于ω很大，這種抖動實際上是不易察覺的，所以可認為沖擊并未明顯改變轉子軸的方向，即高速自轉均衡陀螺儀的轉子軸具有抗沖擊的能力，這種特性稱為定軸性。陀螺儀的依據(jù)就是陀螺原理：一個高速旋轉物體的旋轉軸具有慣性，它的旋轉軸永遠指向一個方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉時 可以永遠指向地面保持垂直。在四旋翼這個高度不穩(wěn)定的機械系統(tǒng)中，電機轉速的一點點不平衡都會引起傾斜和繞 Z 軸轉動。 三軸陀螺儀 概述 陀螺儀也是對于飛行器的旋轉的位置測量的傳感器，很人有這樣的疑問，為什么加入了加速度計之后還要加入三軸陀螺儀。給 2DH 寄存器（ POWER_CTL）寫入數(shù)據(jù) 08H，表示開始數(shù)據(jù)轉換。芯片采用 14 引腳封裝，具體引腳安排和基本工作外部接線圖可從網(wǎng)上搜索，本文不贅述。它能以SPI或 IIC 總線方式輸出數(shù)據(jù)。其基本工作原理和閉環(huán)液浮擺式不同在于，并不增加執(zhí)行機構抵消外部慣性力，而是直接由外部慣性力帶動差動電容引起差模輸出的方式。該傳感器為多晶硅表面微加工結構，置于晶圓頂部。繼而只要在外部接入頻率計，就可以知道此時的加速度。從原理上將，它是可定方向的四軸飛行器設計 8 將原設立原理：彈性形變量的改變引發(fā)電氣信號而輸出的道理改變?yōu)橛瞄]環(huán) 結構讓一個設計的的執(zhí)行器抵消外部力矩，用起給電電壓作為等效輸出信號。 圖 DIY 四軸飛行器實物圖 2020 屆電氣工程與自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 7 第 3章 姿態(tài)傳感器介紹 三軸加速度計 傳感器原理 對于加速度的測量，傳統(tǒng)的方式是在傳感器內部放置一個質量已知且恒定的物體，用于感知慣性系統(tǒng)的加速度，其物體和某一直線方向的彈簧連接，當有該軸加速度產生時，物體施力于彈簧（彈簧和外殼連接，外殼和被測物直接連接固定），產生拉升或擠壓，記錄此時的彈性形變量就能知道外力再通過牛頓第二定律就能分析獲得當前的加速度。 電子調速器 電子調速器簡稱電調。 部分器件的作用介紹 無刷直流電機 電機是拖動螺旋槳旋轉產生動力的裝置。把電調固定在機架的四臂上后插上電機和電調連接的香蕉頭完成組裝整體。 DIY 操作 DIY 四軸飛行器需要材料包括：兩組正反螺旋槳、四個直流無刷電機、四個匹配電機的電子調速器、機架、直流電池適配 器、電池和飛控（可自己制作）。 飛控芯片作為本設計最主要的部分，主要功能是傳感姿 態(tài)、計算補償來控制可定方向的四軸飛行器設計 4 飛行器的穩(wěn)定。調試之后得出三種不同算法的優(yōu)缺點以供參考。實施方案：利用空氣動力學建立螺旋槳轉速和拉升力之間的關系，在利用無刷電機模型和螺旋槳建立輸出波形和轉速的關系并最終得出 PWM 波和拉升力的直接對應關系。 獲得了相關信息后，除了飛行器高度控制用超聲波傳感器測量獲得外，還必須對于飛行器的目前姿態(tài)做測量組成閉環(huán)系統(tǒng)，而姿態(tài)測量的傳感器選擇使用陀螺儀，它以在不同傾斜狀態(tài)下對于四壁壓力的不同感知姿態(tài)信息，但是由于在飛行器上，有抖動，變化速度快，其輸出波形干擾嚴重，目前大多采用卡爾曼濾波的軟件濾波辦法濾波。 四旋翼機械模型主要是十字型機架和螺旋槳構成。但是比較四旋翼和固定翼的性能，不難發(fā)現(xiàn)，四旋翼非線性度高，抗干擾能力弱。 眾人皆知，四旋翼的機械結構簡單但由于只有四個輸出控制六個自由度，屬于典型的“欠驅動”系統(tǒng)，并且具有強耦 合、非線性、干擾敏感等，控制難度大。因此研究它的可定方向的四軸飛行器設計 2 價值顯而易見。 研究它并實現(xiàn)控制可以讓其幫助實現(xiàn)禁飛區(qū)巡邏等軍事任務，同時也可以用于搜救、安全任務檢查等工作。與固定翼飛行器相比，四軸飛行器機動性好，動作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多、飛行速度不快；而與單軸直升機比，四軸飛行器的機械簡單，無需尾槳抵消反力矩，成本低。抽樣的方式工作量大，而且準確性 受主觀因素影響；而遙感的方式可以大范圍同時調查，時效性和準確性都有保證，但只能得到大型作物的宏觀的指標，而且成本很高。 關鍵詞 ： MSP430，卡爾曼濾波，姿態(tài)結算，控制算法 可定方向的四軸飛行器設計 II ABSTRACT This year the attention has shifted from the model aircraft industry to a fixed shaft multirotor aircraft design. Multirotor aircraft and jets born almost at the same time, But in the past few hundred years has its sights reason is because of its control, Operation is very plex, Because of its direction of deflection and other operations depend on the formation of different motors with different speed, Highly nonlinear systems and its poor robustness doomed at the beginning it was born nobody cares. Until precision triaxial accelerometers and gyroscopes appeared, And Kalman filtering principle whom subsequently introduced allows realtime monitoring of multirotor attitude possible, With attitude to accurately monitor and coordinate the use of various control algorithms and highperformance microprocessors, Multirotor control became possible. Also, because it is itself the characteristics of both can respond flexibly to a variety of plex flight environment(Other aircraft can hold a candle). Quickly became the point of intersection of the aircraft. This paper describes the use MSP430G2553 MCU LaunchPad and 9axis attitude sensor settlement by the AVR for the m