【正文】 ................. 6 無刷直流電機 ................................................ 6 電子調(diào)速器 .................................................. 6 第 3章 姿態(tài)傳感器介紹 .................................................... 7 三軸加速度計 ..................................................... 7 傳感器原理 .................................................. 7 ADXL345 ..................................................... 8 三軸陀螺儀 ....................................................... 9 概述 ........................................................ 9 傳感器原理 ................................................. 10 ITG3200 ................................................... 11 三軸磁場傳感器 .................................................. 11 傳感器原理 ................................................. 11 本章小結 ........................................................ 11 第 4章 飛行器模型分析 ................................................... 13 概述 ............................................................ 13 飛行器飛行原理 ............................................. 13 四軸飛行器模型建立辦法 ..................................... 14 力或力矩與螺旋槳的關系 .......................................... 14 升力和扭矩關系 ............................................. 15 阻力和側向力矩的關系 ....................................... 15 LQDT CCCC 、 的建立 ...................................... 16 第 5章 算法設計 ......................................................... 19 懸?？刂扑惴ㄔO計 ................................................ 19 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 1 懸停算法分析 .............................................. 19 PID 算法選擇分析 ........................................... 21 PID 三個參數(shù)的大小對于響應波形的影響 ....................... 21 模糊控制規(guī)則的建立 ........................................ 21 模糊控制表的建立 .......................................... 22 小結 ...................................................... 22 運動算法設計 .................................................... 22 運動時和懸停時的差別 ...................................... 23 Z 軸旋轉解決辦法設計 ....................................... 23 固定傾斜解決辦法 .......................................... 24 控制算法小結 .............................................. 24 九軸數(shù)據(jù)的融合算法 .............................................. 24 關于數(shù)據(jù)融合必要性的分析 .................................. 25 加速度 計與陀螺儀的數(shù)據(jù)融合 ................................ 25 第 6 章 程序設計 ........................................................ 27 程序設計思想 .................................................... 27 程序方案 .................................................. 27 串口接收數(shù)據(jù)并重裝 .............................................. 27 概述 ...................................................... 27 程序設計 .................................................. 28 PID 算法程序 .................................................... 28 電調(diào) PWM 信號 .................................................... 29 總結 ................................................................... 30 論文小結 ............................................................... 31 致 謝 ................................................................. 32 參考文獻 ............................................................... 33 附錄一： ............................................................... 34 附錄二： ............................................................... 41 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 摘 要 今年來 航模界的目光已經(jīng)從固定軸飛行器轉移到了多旋翼飛行器的設計上。到今天，四軸飛行器已經(jīng)應用到各個領域，如軍事打擊、公安追捕、災害搜救、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、輸電線巡查、廣告宣傳航拍、航模玩具等，已經(jīng)成為重要的遙感平臺。 本課題研究意義 四軸飛行器除了能做到和直升飛機一樣垂直起降外，因其由四個螺旋槳控制，所以還能實現(xiàn) 6 個自由度的不同姿態(tài)飛行。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展以及傳感器技術的應用，四軸飛行器開始走向小型化，智能化的過程。而從目前看來，解決的辦法已經(jīng)不是四旋翼本身，而是研究出帶電量大，體積小，重量輕的電池提供能源。 研究方案 四旋翼的動力結果主要由電子調(diào)速器、直流無刷電機和螺旋槳構成。 機架用于支撐，無刷電機用于驅(qū)動螺旋槳旋轉產(chǎn)生力。 首先將四個電調(diào)首先焊接到 F450 的機架上的焊盤上，同時焊接電池接線的母頭。所以采用直流電源輸出各相脈沖使其旋轉。 對于閉環(huán)液浮擺式來 說，與傳統(tǒng)的加速度測量原理比較，首先它是感知對應軸的旋轉信息，其次它的信息輸出依據(jù)來源于閉環(huán)設計。 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變化時，自己跟隨轉動，制作加速度計時讓轉子固定不動，形成擺，其他設計原理與閉環(huán)液浮擺式一樣。 ADXL345 ADXL345 是由 ADI 公司推出的集成加速度傳感器。連接方式如圖 所示，按此接法，其硬件物理地址為 53H，和標準 IIC 總線通信協(xié)議相同。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過加速度計積分一次就可以得到。沖擊 還使轉子軸的方向產(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。他提出的模型效應是：正如我們所見，在一個旋轉盤上不同半徑位置的線速度不同，當物體從盤心沿徑向向外運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該存在一個這樣的力的作用，這 就是他提出的假象力。 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、三軸 陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場傳感器?；蛘哒f，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。用串口調(diào)試程序獲得的數(shù)據(jù)如圖 所示。扭矩的作用使得飛行器有了繞中心旋轉的加速度，也就是在 Z軸方向的一個自由度。 在本設計中，想建立四軸飛行器的模型結構，獲得在一定范圍下的線性模型，既而討論算法。但在實際情況中，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)。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動加速進入槳盤，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，達到速度最大值。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)。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，因為越精確，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系。 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）、滑模控制（ Slidingmode）、線性二次型最小二乘法（ LQR）、神經(jīng)網(wǎng)絡自適應、反饋線性化、 H ∞控制等。首先對于懸停任務，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體六個自由度都不能運動的局面。 但畢竟不是線性關系，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)來作為補償。但是缺點也很顯著， PID 三個參數(shù)整定之后在實際工作中，不能有效的實現(xiàn)我們的控制要求，由于系統(tǒng)的高度非線性，還屬于。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平衡點，三個參數(shù)任何一個參數(shù)過小都會使得響應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。 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。 因為本設計要求它可以確定方向，并盡可能的移動到預設區(qū)域中，算法就需要改進。 其三，這一切的問題包括懸?？刂茣r，都還忽略了電機的過渡過程，無刷電機由直流逆變?yōu)槿嚯娭笥妙l率控制轉速，在改變了頻率之后，它也不可能立刻響應到下一個轉速狀態(tài)。 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系，筆者認為只能利用控制變量法，恒定一些變量才能實現(xiàn)。 在本設計中沒有引入高度反饋，建立升力不平衡的補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，本設計也引入了，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。而加速度計不會出現(xiàn)這樣的問題，它有慣性參考系等，也可以累計出角度值，但是加速度計不會區(qū)分重力加速度和外力加速度，在高速運動時，無法準確給出加速度數(shù)據(jù)。詳情請參考文獻 【 4】【 15】 兩篇。 主控機程序應該分為三部分，一部分是從串口接收數(shù)據(jù)并重裝成浮點數(shù)據(jù)，一部分是按 PID 算法計算獲得控制結果，最后一部分是將控制數(shù)據(jù)用定時中斷的方式輸出 PWM 給對應電調(diào)。接受完后，檢查結束幀即可。在修改完四個電機之后，重開串口中斷并關閉定時中斷，保障中斷不會沖突。然后按四元數(shù)法建立狀態(tài)方程，再利用卡爾曼濾波設計濾除高斯噪聲并融合加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)獲得姿態(tài)角。 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 32 32 致 謝