【正文】 也 不強。然后開始調(diào)試工作。 清楚了電子調(diào)速器的使用，之后便開始對遙控器編程，解碼無線接收器的信息。但同時還存在以下問題： 沒有為加入一些 LED 燈來作為指示 使用 MPU6050 發(fā)送的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出 ROLL， PITCH 及 YAW。 D 是具有阻尼作用的，希望 D 的加入能夠消除 P 引起的 震蕩。要注意綁繩子的方式跟飛行器是＋模式還是 X 模式有關(guān)。由于歐拉角要通過四元數(shù)反三角函數(shù)計算得來，所以，歐拉角控制的方法計算量較大。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 第六章 四旋翼飛行器 PID 控制器設計 正確解算四旋翼飛行器的姿態(tài)就為姿態(tài)控制提供了關(guān)鍵依據(jù)。規(guī)范化四元數(shù)可以表示一次旋轉(zhuǎn)。姿態(tài)解算的工作至關(guān)重要。這就必須配置好定時器每個通道 TIM_Prescale 和 TIM_Period。所以要將這四個通道的 PWM 高電平時間采集出來并保存至主控的寄存器中。sensors， amp。配置 FIFO 通道 mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ)。以下介紹幾個常用到的功能幀： 飛控姿態(tài)顯示對應的功能幀為 0xAF，幀格式為： 0x88+0xAF+0x1C+ACC DATA+GYRO DATA+MAG DATA+ANGLE DATA+ 0x00 + 0x00+ 0x00+SUM，共32字節(jié)。 （ 2） 高級收碼。就得到 X 模式的四旋翼飛行器。右邊搖 桿上下為升降舵，左右為副翼。其片內(nèi)集成了一個精度很高的振蕩器，可用來為 MPU6050 提供工作時鐘。此外，JLink 也可以，效果相同。 多達 8 個定時器，其中 2 個高級定時器， 4 個普通定時器， 2 個基本定時器。 圖 1045 正反槳 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 2200mAh 30C 充電鋰電池 同樣容量的電池中，鋰電池的質(zhì)量最輕，所以本設計選擇鋰電池。 電機參數(shù)解釋： 2212 前兩位是指無刷電機轉(zhuǎn)子 的直徑為 22mm，后兩位是指無刷電機轉(zhuǎn)子高度為 12mm。當 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 1湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器可實現(xiàn)俯仰運動，即飛行器向前后飛。第三，在技術(shù)上進行一些先導性的嘗試，總結(jié)相關(guān)的經(jīng)驗和教訓，以供借鑒。 設計意義及應用前景 四旋翼飛行器的控制有很多難點。這種基于視覺的四旋翼飛行器控制可以很好地被用于執(zhí)行一些特殊任務，如，在固定平臺自主起飛、降落，又如，與地面可移動機器人協(xié)同工作等。這些優(yōu)勢使四旋翼飛行器迅速成為無人機領域冉冉升起的新星，也讓人看到了它的研發(fā)價值和應用前景。它所具備的優(yōu)越性能，使其應用前景十分廣闊。通過萬向節(jié)將飛行器固定在飛行測試平臺上，使其在三個方向都可以靈活運動，便于調(diào)試。部分國外研發(fā)的飛控算法及制作的飛控板很多都已經(jīng)進入我國并受到航模愛好者青睞，比如 MWC 飛控、 KK 飛控，MK 飛控，因其開源，使用得較多。毋庸置疑，對此飛行器的研究將會推進這三個問題的解決，是得人類對于復雜環(huán)境下的運動控制更進一步。 首先，以＋模式介紹飛行器的姿態(tài) 角： Roll， Pitch， Yaw。此時，飛行器要實現(xiàn)飛行動作就要靠螺旋槳兩兩協(xié)調(diào)完成。因為無刷電機運行起來之后，其需要很大的電流，這個電流是微控制器無法承受的，而電子調(diào)速器的作用就是將 控制信號轉(zhuǎn)化為控制所需的三相電流，輸出到無刷電機可以直接驅(qū)動。 隨著 電池容量 的增加 ，電池的質(zhì)量 就會增加 。 96 位芯 片唯一代碼。 MPU6050 的陀螺儀和加速度傳感器的測量范圍都是可以編程的，陀螺儀的量程有 177。很多網(wǎng)友對 DMP 寄存器的評價也非常高。 圖 318 天地飛 7 遙控器 天地飛 7 無線接收機 天地飛 7 無線接收機是配套天地飛 7 遙控器一起使用的。同時，四個螺旋槳的翼面也要在一個平面內(nèi)。波形可以放大可以縮小，可以保存至 PC 機。 下位機程序模塊 本章將詳細介紹下位機的任務，模塊功能及實現(xiàn)方法。 dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation))。所以我們的 SPI 程序就有兩種選擇，即： A、使用GPIO 口進行 SPI 模擬， B、直接使用 SPI 模塊進行編程。 捕獲 PWM 高電平時間的思路是這樣的：首先，定義兩個全局變量，一個用于標記捕獲狀態(tài) status（ 8bits），我們讀 bit0 為第 1 位。 使得 四旋翼飛行器 姿態(tài) 可控 。 捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)是指將慣性測量器件（陀螺儀和加速度傳感器）直接安裝在飛行器、艦艇、導彈等需要姿態(tài)、速度、航向等導航信息的主體上，用計算機把測量 到的 信號變換為導航參數(shù)的一種導航系統(tǒng)。 MPU6050 一般采用軟件校正。 PID 控制器是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，其輸入值為被控變量的實際值與目標值的偏差，經(jīng)過比例、積分和微分計算，得到一個調(diào)節(jié)量輸出至執(zhí)行機構(gòu)?？梢缘玫诫x散化的 PID表達式如下： )]1()([*)(*)(）（( dp0p ????? ?? kekeT TKjeT TKkeKku kjIp 其中，令ITTK *p = iK 即為積分系數(shù)。 P 可以表示為回復力大小，它的目標是使飛行器回到水平面。 根據(jù)自己的實際情況， 由于存在穩(wěn)態(tài)誤差，需要加入滯后校正環(huán)節(jié) I。 由于飛控板是自己設計并制作的，有一定缺陷，比如 MPU6050 的固定問題。 這次的畢業(yè)設計極大 地 激發(fā)了我對四旋翼飛行器的興趣和熱愛。虛心求教使人進步。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 27 第七章 結(jié)論 及存在的問題 目前，四旋翼飛行器已經(jīng)可以平穩(wěn)飛行，可以將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，遙控器控制正常，基本功能均已實現(xiàn)。 接下來調(diào) D。 這里介紹一種用繩子綁住飛行器整定參數(shù)的方法。不同點是控制的姿態(tài)數(shù)據(jù)不同，使得兩者帶給主控器的計算量不同。由于上一節(jié)介紹的姿態(tài)四元數(shù)與歐拉角之間的轉(zhuǎn)換結(jié)果中歐拉角單位為弧度，而我們實際使用要將其轉(zhuǎn)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。四元數(shù)表示方法有： q = w + xi + yi +zi； 或者 Q(w ， x， y， z)。姿態(tài)解算一旦錯誤，后續(xù)工作做的再好也是沒有用的。 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(diào)速器識別，一般要求其輸出為舵 機信號。 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。sensor_timestamp， amp。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)。 FUN表示下位機的功能幀頭?？梢援斪銎胀ǖ拇谑瞻l(fā)數(shù)據(jù)，可以選擇串口，選擇波特率范圍 1200500000，有數(shù)據(jù)校驗功能，具備兩種收發(fā)碼格式： CHR、 HEX。 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(zhuǎn) 45176。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。 MPU6050 與所有設備寄存器之間的通信采用 I2C 接口。 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。 7 通道 DMA 控制器，支持定時器、 ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等外設。 正反槳參數(shù)解釋： 1045 是指槳的直徑為 10 英寸（ 1 英寸 =254mm），槳的角度是 45176。航模無疑是一個理想平臺。當 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 2 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器可實現(xiàn)橫滾運動，即飛行器向左飛。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。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 國內(nèi)有很多針對多旋翼飛行器的技術(shù)論壇，也有很多技術(shù)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(shù)學習和提升的平臺。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(tǒng)，進一步提高了測量精度。而四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，重量輕便，機動性強，飛行靈活，可 垂直起降，懸停甚至完成一些高難度飛行動作。 本設計主要介紹一種四旋翼飛行器的實現(xiàn)方案，以意法半導體公司生產(chǎn)的基于 AMR CortexM3 內(nèi)核的 STM32F103C8T6 微型控制器作為計算控制單元，以Invensense 公司生產(chǎn)的 MPU6050 作為慣性測量單元，整合飛行器姿態(tài) ，以NRF24L01 無線通信模塊作為通信渠道，實現(xiàn)了上位機與下位機各項數(shù)據(jù)的實時傳輸，使用 WFLY07 遙控器實現(xiàn)了對四旋翼飛行器的無線遙控。飛行器的能源供給、數(shù)據(jù)處理、電機驅(qū)動以及飛行控制都由外部提供。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)對四旋翼飛行器的研究也比較多。所以，其研究價值非同一般。這三個角反應了飛行器的對地姿態(tài)。當 3好螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器實現(xiàn) Roll 方向的運動。 電子調(diào)速器有三根輸出線。這個必須考慮到設計中，因為選定電機，螺旋槳，飛行器的升力就大致確定了。 操作 STM32 微型控制器目前有兩種主流方式，即：寄存器操作法和庫函數(shù)操作法。250， 177。 MPU6050 集成度高，相比單個的電子陀螺儀和加速度傳感器成本低，精度高，性價比非常好，堪稱運動傳感器的典范。工作電壓為— 6V。當然有一點誤差也沒有太大關(guān)系。 （ 4） 飛控狀態(tài)?？傮w來說，下位機的任務就是測量四旋翼飛行器的實時姿態(tài)并返回主控，主控根據(jù)返回的姿態(tài)進行PID 控制，計算出能夠使飛行器達到目標姿態(tài)的各個電機輸出的 PWM 量。 與DMP 計算輸出四元數(shù)有關(guān)。這兩種方法都有 一定的好處當然也有缺點。一個用于記錄捕獲到一次下降沿時的 TIM_CNT 的值 value。 對四旋翼飛行器的控制屬于是 3 維運動控制，即，對 ROLL， PITCH， YAW 這三個量的控制。使用經(jīng)過校準的慣性測量傳感器測出慣性數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法就可以計算出飛行器的姿態(tài) 。 第二，加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)融合。然后再對執(zhí)行效果進行采集并反饋回來再次與目標值比較，如此往復計算執(zhí)行，直至消除偏差。 TTK dp * = dK 即為微分系數(shù)。 D 可以表示為阻尼力 ，它抑制 P 的作用但回不回得到水平面不是它關(guān)心的問題 。 飛行器 PID 參數(shù)整定 經(jīng)驗如下： 首先要做的工作是確保電子調(diào)速器的油門行程一致，即初始化電調(diào)成功。建議后續(xù)工作可以繪制相關(guān)的 PCB 電路板，做成成型的模塊，可以增加系統(tǒng)可靠性，也可以改善飛行器的外形，使其更加美觀 ，同時也可以降低成本。我認為四旋翼飛行器可以說是一個豐富多彩的技術(shù)平臺，它考驗了開發(fā)者對硬件的了解程度，對算法的學習理解，對硬件編程的能力 及控制技術(shù)的實踐和感悟。由于自己知之甚少，經(jīng)常在群里遭人鄙視，但學習就是這樣，沒有低級的問題就沒有很大的提升。做好安全措施，不要急躁，多試一些數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題冷靜思考，相信一定會成功的。 經(jīng)過一次次嘗試，發(fā)現(xiàn) P 的值為 的時候，飛行器左右等幅湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 26 震蕩，至此，認為 P 已經(jīng)調(diào)好了。使人對問題的分析解決能力得到提升。兩種方法的基本思想相同：設定一個目標姿態(tài)，計算當前姿態(tài)與目標姿態(tài)的偏差，輸入至 PID 控制器，使其輸出相應的調(diào)節(jié)量至電子調(diào)速器，調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，達到目標姿態(tài)。由姿態(tài)四元數(shù)與歐拉角間的轉(zhuǎn)化公式將姿態(tài)四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角。 四元數(shù)可以理解為一個實數(shù)和一個向量的組合，也可以理解為四維的向量 。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 第五章 四旋翼飛行器姿態(tài)解算 四旋翼飛行器能不能成功起飛的根本因素在于其姿態(tài)解算的結(jié)果是否正確有效。主控器可以支持四個通道同時輸出四路 PWM，對于四旋翼飛行器的電機驅(qū)動剛好適合。遙控器發(fā)出的命令的不同就在于 PWM 信號的高電平時間的長短，所以我們解碼的關(guān)鍵問題就是捕捉無線接收機輸入到主控中的 PWM 信號高電平的時間。 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 在一切設置完成之后， DMP 就被成功使能，要得到實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，只需要在程序主函數(shù) 的 while(1)循環(huán)中調(diào)用 dmp_read_fifo(gyro， accel， quat， amp。對 MPU 進行初始化 mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO | INV_XYZ_ACCEL)。 SUM是 0x88一直到 DATA最后一字節(jié)的和， uint8格式。 該上位機具有以下功能： （ 1） 基本功能。硬件上的區(qū)別在于慣性器件的安裝