【正文】 轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，并利用升力在水平面上的分力實現(xiàn)前后、左右運動[2]。在民用和科技領(lǐng)域，無人機(jī)也發(fā)揮著巨大的作用。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)早己投入到實戰(zhàn)使用中[1]。因此,四旋翼飛行器具有廣闊的應(yīng)用前景,吸引了眾多的科研人員,成為國內(nèi)外的研究熱點。PID controller。 IIC總線。關(guān)鍵詞：四軸飛行器。本文限于作者能力未對四旋翼飛行器的機(jī)架結(jié)構(gòu)和動力學(xué)特性做詳盡的分析和研究,而是一定程度上簡化了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，在一定姿態(tài)角度內(nèi)近似將其看作線性系統(tǒng)，以方便使用PID控制算法對飛行器在空中的三個歐拉角進(jìn)行控制。但是四旋翼飛行器控制難度較大,難點在于飛行器具有欠驅(qū)動、多變量、非線性等比較復(fù)雜的特性?；贏PM飛控技術(shù)的定點投送飛行器摘要四軸飛行器是微型無人飛行器的一種，裝有4個螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉，分為前后和左右兩組(即對角線上為一組)。國外某些科技公司，如亞馬遜，正在開發(fā)研究利用多旋翼飛行器進(jìn)行快遞投送等自動化的物流業(yè)務(wù)，可見其具有廣泛的軍事和民事應(yīng)用前景。本文采用牛頓歐拉模型來描述四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。本文主要參考國際上四旋翼開源項目,基于AVR8位單片機(jī)Atmega328p、MPU6050IMU模塊進(jìn)行了硬件選型、電路設(shè)計與制作、軟件代碼的編寫及調(diào)試，最終實現(xiàn)較好的控制結(jié)果。 ArduCopter 。 APM(ArduPilotMega) 。而且四旋翼飛行器非常遠(yuǎn)在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。無人機(jī)與普通飛機(jī)相比,其結(jié)構(gòu)簡單成本低，便于制造和維護(hù)；由于無人駕駛，因此其有效載荷更大，能夠安裝更多的設(shè)備或武器，完成任務(wù)的效率和可靠性更高；而且即使出現(xiàn)意外險情也不會危及到飛行員的生命安全，因此廣泛應(yīng)用于各種高風(fēng)險的任務(wù)中。在今后的信息化戰(zhàn)爭中，無人機(jī)必將發(fā)揮著越來越重要的作用。按照結(jié)構(gòu)的不同，無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)兩種，其中前者又可分為螺旋槳式固定翼無人機(jī)和噴氣式固定翼無人機(jī)兩種，后者又可分為單旋翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)兩種。而且四旋翼飛行器非常遠(yuǎn)在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。四旋翼飛行器的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段。1924年出現(xiàn)了世界上第一架能夠完成超過一千米距離飛行的四旋翼飛行器Oemidien。隨著直流111機(jī)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了許多體枳小轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩大的直流電機(jī),鋰電池技術(shù)的發(fā)展使得鈕!電池儲能密度加大同時放電電流也變大,這就使鋰電池對大功率直流屯動機(jī)的驅(qū)動成為可能。開源項目主要有:德國MikroKopter項目,megapirate,arducopter, multiwii。Prime Air 的目標(biāo)是通過無人飛行器向消費者派發(fā)快件，派件用時縮減到半小時或更短。目前無人飛行器的研究越來越受追捧，如國外的亞馬孫，國內(nèi)的順豐快遞等物流巨頭正在積極研究無人飛行器的快遞運輸功能，以期能夠提供更加快捷的運輸服務(wù)。本文擬選取蘭州理工大學(xué)本部校區(qū)為實驗測試區(qū)，基于GPS坐標(biāo)定位技術(shù)、信息綜合與決策控制技術(shù)、姿態(tài)檢測與解算技術(shù)、基于PID算法控制技術(shù)和無線遙控技術(shù)，研究無人飛行器自助導(dǎo)航系統(tǒng)。 難點1. 飛行器飛行姿態(tài)的控制四軸飛行器有四個螺旋槳，即意味著有四個電機(jī)需要控制，根據(jù)動力學(xué)原理，這四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同的情況下，難以維持飛行器的飛行平衡，所以需要控制器能夠?qū)崟r的采集到飛行器的飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而經(jīng)過姿態(tài)解算算法轉(zhuǎn)換為PWM可調(diào)脈沖數(shù)據(jù)作為電子調(diào)速器的輸入來保持飛行器在飛行過程中的平衡。2. 根據(jù)所搭建的實驗硬件平臺，因地制宜地對開源的PID控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使飛行器飛行的更加平穩(wěn)。 (4) 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊:獲取加速度傳感器和陀螺儀的原始測量數(shù)據(jù)。圖21 系統(tǒng)原理圖圖22系統(tǒng)整體功能圖感應(yīng)層：此部分的作用是獲取MPU6050中加速度傳感器和陀螺儀的實時數(shù)據(jù)，核心就是使用AVR單片機(jī)自帶的硬件IIC模塊和外部模塊通信。本設(shè)計采用“引腳電平變化中斷”來實現(xiàn)PPM解碼。如此便可以獲得PPM某通道高電平時間。應(yīng)用層：利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)完成飛行器的導(dǎo)航飛行功能，并使用LCD11264顯示和輸入飛行坐標(biāo)。具有2個外部中斷口；可以輸出6路PWM波；具備SPI、IIC、UART通信功能；具備六路ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能；可支持ISP在線系統(tǒng)編程；5V供電并能輸出5V/3V3電壓為其它傳感器供電。圖31 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖 GPS模塊 GPS硬件介紹HOLUX M89 GPS模塊是一款采用MTK芯片方案的GPS模塊。以下是它的一些參數(shù)：L1()接收頻率；工作溫度：40℃至+85℃；輸出資料格式：NMEA0183()；啟動時間(TTFF)：熱啟動：1秒；溫啟動：33秒；冷啟動：36秒；敏感性：159dBm?？傊?，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號是電文D(t)經(jīng)過兩級調(diào)制后的信號。這些影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類：(1) SA誤差是影響GPS定位誤差的最主要因素。又可以稱為衛(wèi)星的軌道誤差，因為它是由于衛(wèi)星的空間三維位置是通過地面的監(jiān)控系統(tǒng)接收衛(wèi)星測軌數(shù)據(jù)來計算得出的。為了保證衛(wèi)星時鐘精度，GPS衛(wèi)星均采用高精度原子鐘，但誤差總是存在的，它們和GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的偏差和漂移和漂移總量在1ms～，由此引起的等效誤差將達(dá)到300km～30km。圖35 按鍵電路圖AVR輸出的是TTL電平，而RS232C采用的是負(fù)邏輯“0”：+5V~+15V；邏輯“1”：5V~15V，若直接與TTL電平相連，將會燒壞TTL電路。 （3） 為AVR單片機(jī)相應(yīng)I/O端口配置。每個通道的高電平持續(xù)時間即對應(yīng)該通道搖桿的位置，從而起到控制輸入的作用。 PPM解碼程序設(shè)計與關(guān)鍵程序段說明傳感器接收機(jī)能夠提供6路PPM信號。引腳電平從高到低對應(yīng)高電平結(jié)束，從低到高意味著高電平開始。 PPM信號解碼流程圖如圖42所示。 uint16_t time。 chan = pindlast^pindnow。(12))last[0] = now[0]。飛行器在空中平衡時有 （41）其中 為螺旋槳角速度。PWM周期可在2ms至20ms之前變化,對應(yīng)500Hz至50Hz的無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速更新頻率。由于單片機(jī)采用16MHZ晶振，所以在預(yù)分頻的設(shè)置上只能選擇256分頻才能滿足電子調(diào)速器對周期的要求，256分頻的結(jié)果是獲得的PWM波頻率為244HZ。 //設(shè)置為快速PWM TCCR2B = (1CS22) | (1CS21)。 if(pwm_base!=chan3) {OCR1A = (pwm_base+pwm_erro[0] 1024)*+63。讀取MPU6050數(shù)據(jù)的時序圖如下圖所示：圖44讀取MPU6050圖45寫MPU6050由圖知，在讀寫MPU6050的時候單片機(jī)需要在Master Transmitter Mode和Master Receiver Mode之間切換，在此不再贅述。要注意這里的16位數(shù)據(jù)是有符號的。 }else{ RAW_GYRO_X = ((rawADC[0]8)|(rawADC[1]))。 利用加速度計數(shù)據(jù)計算歐拉角使用的是三角函數(shù)方法。在X軸和Y軸的起點0g處以及Z軸上1g處,計算得到的所有角度均為0度。 濾波的方法有很多，商業(yè)四軸飛行器為了保證穩(wěn)定性一般都使用復(fù)雜的卡爾曼濾波。嚴(yán)格意義上講,互補(bǔ)濾波器包含兩種或兩種以上的頻率特性互補(bǔ)的傳遞函數(shù)。 陀螺儀響應(yīng)速度快,但是會受到零點隨溫度漂移產(chǎn)生低頻干擾；加速度傳感器用來測量重力加速度矢量,響應(yīng)速度也非常高,但是會因為微小擾動產(chǎn)生高頻噪音干擾；數(shù)字羅盤測量當(dāng)?shù)氐卮艌鍪噶?數(shù)據(jù)測量比較準(zhǔn)確,但響應(yīng)速度較慢，也會受電機(jī)電磁場的高頻干擾而陀螺儀的數(shù)字積分又不可避免的帶來積分漂移問題，由此可知，三種傳感器測量相同的量在頻域內(nèi)特性互補(bǔ),濾波算法實現(xiàn)兩個信號的融合是很合適的[15]。dt是每兩次采樣的時間間隔，通過如下程序段控制dt為STD_LOOP_TIME不變。 //dt時間控制 get_rawADC(0x43)。 beta=()*(beta+*(RAW_GYRO_XGYRO_BIAS_X)*dt ) + ()*(angle_acc_y)。圖47 控制系統(tǒng)圖 高度控制系統(tǒng)設(shè)計高度控制系統(tǒng)十分簡單，整個控制回路有人來完成。 姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計姿態(tài)控制的落腳點在于控制歐拉角。數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計忽略系統(tǒng)中的零階保持器,將經(jīng)過釆樣后的系統(tǒng)仍然按照連續(xù)系統(tǒng)在S域中求出連續(xù)的控制器,最后通過近似將連續(xù)的控制器離散化為數(shù)字控制器。傳統(tǒng)的理想PID控制器原理圖如下圖：圖48 傳統(tǒng)理想PID控制器原理圖PID控制規(guī)律為 （41）其中。圖49 增強(qiáng)型PID控制器原理圖此圖中的y值分別取，r值分別為。前者需要有被控對象的精確模型，然后采用最優(yōu)化方法確定PID參數(shù)。而 Kp偏大則會使得衰減震蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間變長； Kp太小又會使得響應(yīng)速度緩慢。 Ti偏小振動次數(shù)增多； Ti太大，系統(tǒng)動態(tài)性能變差，且在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，積分作用太弱，不利于減少穩(wěn)態(tài)誤差。 2. 首先只整定比例系數(shù)，將 Kp由小變大，使得系統(tǒng)響應(yīng)曲線略有超調(diào)。反復(fù)不斷進(jìn)行這一步驟，直至獲得最佳的Kp 與Ti 。斜飛。圖412單個目標(biāo)點的行走方向當(dāng)設(shè)置多個目標(biāo)點是，可近似直線飛至目標(biāo)點，目標(biāo)點設(shè)置越多則直線越平滑。這些發(fā)送出到的數(shù)據(jù)要在分類提取后才能加以利用。數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理流程圖如下圖所示：圖414 GPS數(shù)據(jù)讀取流程圖 LCD模塊 11264點陣液晶LCD顯示原理：在數(shù)字電路中所有的數(shù)據(jù)都是通過二進(jìn)制的0和1保存。當(dāng)然，只得到漢字和英文字符的內(nèi)碼還不能將這些字符顯示在液晶屏幕上，這涉及到字符字模的建立，字模雖然也是一組數(shù)字，但是它的意義卻與數(shù)字的意義有根本的不同，它是用數(shù)字的各個位的信息來表示英文字符或中文字符的形狀，如英文的39。DDF的狀態(tài)由指令DISPLAY ON和DISPLAYOFF以及RST復(fù)位信號控制的。(3) 顯示數(shù)據(jù)存儲器，即DDRAM：DDRAM置高電平時是代表顯示是選擇的，DDRAM置低電平時代表顯示是非選擇的。當(dāng)完成一行掃描時，這個地址計數(shù)器將加上一，這是指針將指向加一后的地址，也就是下一行地址。(5) XY地址計數(shù)器：X地址計數(shù)器是一個9位計數(shù)器，不能計數(shù)，只有Y地址計數(shù)器可以循環(huán)記數(shù)。 漢字字模的建立由于我們現(xiàn)在需要的漢字量很少，所以可以使用一些字模提取軟件自己制作所需的字模。for(n=0。0x0f))。i++)Write_LCD_dat(*ptr++)。Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2+1)。Cl_addr+=16。Cl_addr=X*8。p=ASC_4+x*16。Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2)。Write_LCD_cmd(0x11+(Cl_addr4))。//寫入高8位部分?jǐn)?shù)據(jù)for(i=0。//將列地址增量}}因為字庫的第一個數(shù)組是空格，即0x20，所以進(jìn)入該子程序的數(shù)組減去0x20，即可指向ASCII碼字庫對應(yīng)的英文字符。上電后，打開遙控器，電機(jī)以較低速度運轉(zhuǎn)，帶動槳旋轉(zhuǎn)。 實測中，PID算法對控制飛行器還是有點吃力，當(dāng)方向舵給定方向的速度太快，飛行器就不能穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)側(cè)傾。 經(jīng)過對實驗記錄和實驗結(jié)果的觀測，PID控制算法在一定條件下可以滿足四旋翼飛行器的控制，并有較好控制效果。針對這一點，存在兩方面的改進(jìn)空間。另外，僅僅采用IMU模塊進(jìn)行姿態(tài)測量也存在精度問題，參考成功的案例，一般可以增加磁強(qiáng)計，超聲波測距模塊等傳感器。利用本系統(tǒng)，能夠根據(jù)需要采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度信息，衛(wèi)星時間。把系統(tǒng)的各個部分的基礎(chǔ)功能模塊化，分塊設(shè)計與測試。同時在軟件設(shè)計中程序運行效率不是很高，程序較為臃腫，對單片機(jī)片內(nèi)存儲的占用過多。同時可以加入無線模塊，使此系統(tǒng)分為機(jī)載控制與地面控制兩塊，便于數(shù)據(jù)的采集與飛行器的實時監(jiān)控。sbit key2=P2^7。idata unsigned char GPS_time1[12]。idata unsigned char GPS_latitude[15]。unsigned char GPS_time2[10]。unsigned char rx_height_count。//硬件連接定義sbit LCD_RST=P1^1。sbit LCD_CS=P3^6。unsigned short n。n2000。for(i=0。else LCD_DAT_L()。Wr_dat=1。//_nop_()。}/*********************************************************函數(shù)名:Write_LCD_dat**函數(shù)功能:底層硬件寫數(shù)據(jù)時序**********************************************************/void Write_LCD_dat(unsigned char dat){LCD_A0=1。i8。//寫入行地址for(l=0。LCD_BK_OFF()。Delay_ms(10)。Delay_ms(10)。Write_LCD_cmd(0x40)。//控制顯示位置和GRAM的對應(yīng)關(guān)系Write_LCD_cmd(0x23)。//booster onDelay_ms(10)。//follow onDelay_ms(10)。LCD_BK_ON()。char x=0。n++){x=a[n]0x20。0x0f))。i++) Write_LCD_dat(*p++)。Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2+1)。Cl_addr+=8。for(n=0。0x0f))。i++) Write_LCD_dat(*ptr++)。Write_LCD_cmd(0xb0+Y*