【正文】 21 EEPROM 采用 I2哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） C 通訊，可以進(jìn)行以字節(jié)為單位的即時(shí)讀寫，因此對(duì)于重要參數(shù)，比如 PID控制的參數(shù)的存儲(chǔ)非常方便。 電源、通訊接口設(shè)計(jì) 飛控電路采用 12V 供電，12V 電源經(jīng)過開關(guān)電源模塊降為 為后部電路供電。其運(yùn)行頻率最高可達(dá) 168MHz，CortexM4 內(nèi)核具有一個(gè)浮點(diǎn)處理單元（FPU），該單元支持所有的 ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令與數(shù)據(jù)類型，它也實(shí)現(xiàn)了全套的 DSP 指令與內(nèi)存保護(hù)單元，加強(qiáng)了應(yīng)用的安全性。其系統(tǒng)框圖如圖 36 所示。Maxsonar EZ4 的探測(cè)距離可以達(dá)到 ，提供 10Hz19 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 的更新頻率與 1cm 的分辨率。 表 31 MTI 性能參數(shù) 動(dòng)態(tài)范圍 所有角度 角度分辨率 176。MTI 系統(tǒng)主要用來測(cè)量姿態(tài)與磁航向。 執(zhí)行器與數(shù)據(jù)保存 控 制信 息 的執(zhí) 行最 終 通過 電 機(jī)進(jìn) 行執(zhí) 行 。 無線通訊鏈路 控制指令可以通過兩條鏈路進(jìn)行上傳。 本章小結(jié) 本章首先對(duì)六旋翼無人機(jī)的飛行方式進(jìn)行了分 析，包括如何實(shí)現(xiàn)前飛與后飛，向左飛行與向右飛行，上升下降等機(jī)動(dòng)動(dòng)作。247。13x101872247。247。247。231。247。247。231。247。231。(Jz Jx) x2 x64jrufx2+lu3247。247。 Jz J z取 14 236。J J j lz x rq = ( ) pr u p + u (219) f 3J J J239。(217) 237。239。 y 俯仰方向上的力矩為 2橫滾方向上的力矩為 2偏航方向上的力矩為 y 1 2 3 4 5 6其中， l 為機(jī)臂長(zhǎng)度， C 為反扭矩比例系數(shù)。 H + M (213) 234。 234。其中， Fi 為六個(gè)旋翼所產(chǎn)生的升力（ i = 1,2,3,4,5,6 ）。 Fi233。(21) 234。 為了分析的簡(jiǎn)化，在前面章節(jié)的假設(shè)下，比如假定機(jī)體為一個(gè)剛體，旋翼都能夠進(jìn)行理想的安裝，即所有六個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)動(dòng)平面均與機(jī)體的水平平面相平行。綜合電機(jī)的負(fù)載能力、重量、效率等多方面因素，最終選擇了恒力 W4220880KV 外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)。該機(jī)架電機(jī)軸距 606mm，適合 11 寸旋翼的安裝。 首先，考慮到既要擁有一定的載荷和續(xù)航時(shí)間，旋翼不能過小，至少要達(dá)到 9寸以上，才能夠保證約為 500g 的載荷與 15 分鐘以上的續(xù)航時(shí)間。在該六旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)中，規(guī)定 5 號(hào)旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，6號(hào)旋翼逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)。這會(huì)導(dǎo)致旋翼所產(chǎn)生的總拉力在前進(jìn)方向上有一個(gè)正的分力，該分力會(huì)拉動(dòng)機(jī)體向前飛行。 7 第2章哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 六旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 本章完成了對(duì)于六旋翼無人機(jī)的模型建立，通過分析六旋翼無人機(jī)在飛行狀態(tài)下受到的力與力矩，運(yùn)用牛頓歐拉方程建立了六旋翼無人機(jī)的力學(xué)模型，并建立了控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。 綜上所述，六旋翼無人機(jī)在 推重比、控制性能、可靠性等方面較四旋翼無人機(jī)具有更好的特性，但也不是完全否定四旋翼無人機(jī)的合理性，必須承認(rèn)的是，由于六旋翼無人機(jī)共軸雙槳的電機(jī)配置造成了一定效率上的損失，但是，由于其它方面的優(yōu)越性，本論文著重開展了對(duì)六旋翼無人機(jī)的研究工作。因此提高了整個(gè)飛行器的推重比，由于控制系統(tǒng)的性能受飛行器推重比的影響比較大，控制系統(tǒng)在系統(tǒng)推5 [12,4][4] [1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 力裕量較大時(shí)才 能較好地克服 諸如大風(fēng)、機(jī)體 抖動(dòng)等干擾的 影響達(dá)到較好地 控制效果。續(xù)航時(shí)間約為 15 分鐘。機(jī)載平臺(tái)將飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息與控制信息發(fā)送給地面站。OS4II 與 OS4I 相比，完全脫離了對(duì)萬向節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的依賴，機(jī)載鋰電池與飛行控制系統(tǒng)。 2 [4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 四旋翼無人機(jī)的研究現(xiàn)狀 最近幾年，四旋翼無人機(jī)領(lǐng)域的研究成果急速增長(zhǎng)，下面對(duì)一些具有代表性的研究成果進(jìn)行列舉。在軍用方面，可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)小分隊(duì)的小范圍空中偵察，完成對(duì)地面目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視功能，彌補(bǔ)大型固定翼無人機(jī)裝備級(jí)別較高，無法靈活進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)部署的缺點(diǎn) 。因此，可以方便地進(jìn)行運(yùn)輸與快速的部署。 但是目前大量使用的常規(guī) 固定翼布局無人 機(jī)往往需要 較長(zhǎng)的專用跑 道起飛，采用盤 旋或者掠飛的方式對(duì)某固定目標(biāo)進(jìn)行偵查，因此，無法滿足在復(fù)雜城市環(huán)境或者山區(qū)環(huán)境對(duì)特定目標(biāo)的偵查任務(wù)。2007 年，英空軍也付諸實(shí)踐，采用改裝的戰(zhàn)斗機(jī)與 4 架無人飛行器協(xié)同作戰(zhàn)，成功完成軍事任務(wù) 。接著，論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了飛行控制軟件的主要功能，從技術(shù)層面上對(duì)于實(shí)時(shí)性與可靠性進(jìn)行了大幅的提升。并建立了六旋翼無人機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。 世界上第一架無人靶機(jī)在 1933 年試飛成功，揭開了無人機(jī)的序幕 。無人機(jī)需要 裝載必要的偵查 設(shè)備在復(fù)雜的 城市環(huán)境或者 山區(qū)環(huán)境中執(zhí) 行特殊的軍事任務(wù)。 在必要的時(shí)候可 以在建筑物的頂 棚實(shí)現(xiàn)緊急降落。可以方便地?cái)y帶與運(yùn)輸。相比于通常的大型固定翼無人機(jī)，小型六旋翼無人機(jī)具有緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、低廉的成本與卓越的低速運(yùn)動(dòng)性能，因此，在民用領(lǐng)域與軍用領(lǐng)域中都具有及其廣泛的用途，對(duì)于該種無人機(jī)的研究是具有比較可觀的應(yīng)用前景的。而 OS4 I 的電機(jī)調(diào)速裝置、電源、飛行控制均由外部提供。 [20]圖 12 GTMARS 與 MD4200 均為具有非常好的飛行性能的四旋翼無人圖 13 MD4200 圖 14 EADS [24]斯坦福大學(xué)也有關(guān)于小型四旋翼無人機(jī)的飛行控制研究，他們選擇Draganflyer 作為他們研 究平臺(tái) STARMAC 的基礎(chǔ)平臺(tái)。其機(jī)架采用一體化的碳纖維制作。配合其生產(chǎn)的 WooKong 飛控，可以達(dá)到很高的控制精度與極高的飛行穩(wěn)定性，配合禪思云臺(tái)，可以達(dá)到電影拍攝級(jí)別的航拍畫面。因此，只需要從控制方面對(duì)飛行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，即可以靈活地對(duì)總拉力的分配進(jìn)行重新考慮，避免失控情況的出現(xiàn)，進(jìn)而提高整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的魯棒性 與可靠性， 這種可靠性的提 升對(duì)于無人機(jī) 的廣泛應(yīng)用是有 重要意義的。 第三章設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完整的六旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，組建了高精度的傳感器系統(tǒng)，并完成了飛行控制器硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成了硬件調(diào)試工作以及驅(qū)動(dòng)的編寫工作。姿態(tài)角定義如下：俯仰角θ(pitch)：機(jī)體軸 x 與大地水平面間所夾角度，向下為正； 偏航角ψ(yaw)：機(jī)體 軸 x 在大地水平面上的投影與大地坐標(biāo)系中 x 軸之間所8 夾角度，機(jī)頭向左為正； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 橫滾角φ(roll)：機(jī)體軸 z 與過機(jī)體軸 x 的大地豎直平面之間的夾角，飛機(jī)向右時(shí)為正。同理，減小 4 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速并增大 6 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速，可以在 x 軸上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)力矩，該力矩會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的橫滾角 f 為負(fù)，即機(jī)體向左傾斜。同理，減小 5 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速，增大 6 號(hào)旋翼的轉(zhuǎn)速，將會(huì)在 z 軸上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)力矩，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生一個(gè) z 軸上負(fù)的角加速度，進(jìn)一步使得機(jī)體在 z 軸上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的角度。 機(jī)架選型 根據(jù)對(duì)機(jī)架的基本要求，最終選購(gòu)了 SkyKnigh tY6700 型機(jī)架，如圖 23 所示 圖 23 SkyKnightY6 機(jī)架 圖 24 機(jī)架折疊狀態(tài) 該機(jī)架機(jī)身部分采用碳纖維制作，電機(jī)座部分的連接件采用鋁合金制作，重量為 558g。 由于內(nèi)轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般比較高，需要配合減速器使用，這樣就使得機(jī)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了機(jī)體的成本。而每個(gè)電機(jī)負(fù)載約為 400g，從圖 26 中得出工作電流約為 5A，那么可以得到總的工作電流約為 30A。249。 F = S F = ( F ) sinq siny cosf cosy sinf234。 0 249。 238。 12 233。(27) 為六旋翼無人機(jī)1M = l[F + F (F + F + F + F )] (28) 3M = l( F + F F F ) (29) (210) 0234。234。 JW = M (214) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 下面對(duì)作用于 機(jī)身的外力矩 進(jìn)行分別求解 ，作用在機(jī)身 上的外力矩主 要包含三個(gè)來源：旋翼升力所產(chǎn)生的力矩、旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反力矩、高速轉(zhuǎn)動(dòng)旋翼所產(chǎn)生的陀螺力矩、機(jī)身自身轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的陀螺力矩。由于在旋翼正常工作時(shí)，只存在機(jī)體系中 z 軸上的動(dòng)量矩，則動(dòng)量矩 H 可以表示為： 235。Jx)qr +Jx(w1+ w2 w3+ w4 w5+ w6 )q +Jx.2( F3 + F4 F5 F6 )239。239。239。在六旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程中，取 238。J Jy z( ) x x則狀態(tài)方程可以綜合寫為式(221)。231。JyxJyJy247。(Jx JJzy6) x2 x4x8+CJ zu4247。231。231。1u (sin x sin xcos xx12 cos x sin x ) 1Dx2247。231。231。247。231。231。kG(s) = (223) 2根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可知螺旋槳所產(chǎn)生的拉力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而電機(jī)調(diào)速器是以轉(zhuǎn)速為被控 制量，控制系 統(tǒng)發(fā)給電機(jī)調(diào)速 器的控制量首 先經(jīng)過電機(jī)的 模型轉(zhuǎn)化為速度信號(hào)，然后經(jīng)過一個(gè)非線性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為最終的升力。 總體方案 六旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案如圖 31 所示 機(jī)載 部分MTI姿態(tài) 模塊三軸MEMS陀螺儀三軸MEMS加速度計(jì)三軸磁阻傳感器DSPUARTPWM主處理器PWMPWMPWMPWMPWMPWM電機(jī)調(diào)速器電機(jī)調(diào)速器電機(jī)調(diào)速器電機(jī)調(diào)速器電機(jī)調(diào)速器電機(jī)調(diào)速器電機(jī)1電機(jī)2電機(jī)3電機(jī)4電機(jī)5電機(jī)6控制手柄Xbee通訊模塊遙控器圖像傳輸系統(tǒng)接收機(jī)計(jì)算機(jī)云臺(tái)控制器Xbee通訊模塊無線接收機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)發(fā)射機(jī)攝像頭UARTPWMAVSTM32f407UARTUARTI2CUARTI2C光流傳感器GPS氣壓計(jì)超聲測(cè)距E2PROM地面 站圖 31 控制系統(tǒng)硬件總體方案 該控制系統(tǒng)總體分為兩大部分，地面站與機(jī)載部分。然后地面站可以對(duì)圖像進(jìn)行處理，進(jìn)一步獲取圖像中目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)情況，通過 Xbee 無線鏈路發(fā)送跟蹤指令。 18 傳感器系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 動(dòng)態(tài)精度 2176。靜態(tài)精度優(yōu)于 176。 圖 33 MS5611 氣壓計(jì) 圖 34 Maxsonar EZ4 超聲波傳感器 2MS5803 氣壓計(jì)通過測(cè)量氣壓的變化，獲取高度信息，其內(nèi)置 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率達(dá)到 10cm，且具有高達(dá) 1ms 的轉(zhuǎn)換速度，能夠滿足無人機(jī)這種高動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)合，內(nèi)嵌溫度計(jì)，可以對(duì)氣壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但是這種鼠標(biāo)傳感器需要外部光源的支持，這與低功耗與高地面距離的需求背離，因此，在該應(yīng)用中采用了基于 CMOS 的圖像傳感器作為光流傳感器。同時(shí)，由于需要對(duì)各種傳感器的信息進(jìn)行校正與濾波，因此要求主控芯片具 有較強(qiáng)的數(shù)字 信號(hào)處理能力 ，要求它能夠 較快速地進(jìn)行 浮點(diǎn)數(shù)20 22哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 運(yùn)算。 （2）具有豐富的片內(nèi)外設(shè)電路，片內(nèi)提供 3 個(gè)最高采樣速度 的 12位 AD 轉(zhuǎn)換器且具有通用型 DMA，提供對(duì)于 16 個(gè)數(shù)據(jù)流的控制。光流傳感器與超聲波傳感器均采用 5V 供電，它們共用一個(gè)串口進(jìn)行通訊，光流傳感器的速度估計(jì)更新頻率達(dá)到 250Hz，超聲波的數(shù)