【文章內(nèi)容簡介】 標(biāo)準(zhǔn) IIC 總線通 信協(xié)議相同。 在芯片接入時(shí)，首先需要初始化，利用芯片 INT1 引腳控制給出數(shù)據(jù)為地址數(shù)據(jù)還是直接數(shù)據(jù)，初始化時(shí)，給芯片 31H 寄存器（ DATA_FORMAT）寫入數(shù)據(jù) 0BH 表示設(shè)置量程為 g16? 以及工作在 13位數(shù)據(jù)格式。給 2DH 寄存器（ POWER_CTL）寫入數(shù)據(jù) 08H，表示開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。給 2EH 寄存器（ INT_ENABLE）寫入數(shù)據(jù) 80H 表示時(shí)能中斷 DATA_READY。設(shè)置好后，在每一次芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新時(shí)給中斷信號(hào)，表 示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機(jī)可讀取數(shù)據(jù)信息。三軸的加速度數(shù)據(jù)信息為 16 為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖 所示，數(shù)據(jù)沒 1 LSB 表示 。 三軸陀螺儀 概述 陀螺儀也是對(duì)于飛行器的旋轉(zhuǎn)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(jì)之后還要加入三軸陀螺儀。有人認(rèn)為加速度計(jì)輸出結(jié)果做兩次積分就可以獲得旋轉(zhuǎn)角度，而姿態(tài)數(shù)據(jù)就是三軸的偏轉(zhuǎn)角度，所以就是用加速度計(jì)就足夠了。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過加速度計(jì)積分一次就可以得到。 起問題關(guān)鍵就在于加速度計(jì)的致命缺點(diǎn)上，對(duì)于加速度計(jì)來說，敏感性（能感知最小 加速度極限）、精確性是矛盾的，如果追求敏感輸出那么噪聲大，真是信息濾波困難，反之亦然。在四旋翼這個(gè)高度不穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的一點(diǎn)點(diǎn)不平衡都會(huì)引起傾斜和繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)時(shí)性要求高就必然要求加速度計(jì)要工作在敏感區(qū)，如果只用加速度將完全無法滿足要求。 圖 ADXL345數(shù)據(jù)格式 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 10 如果讓兩者配合，就能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)靈敏又純凈的輸出信號(hào)。 傳感器原理 首先，必須意識(shí)到，雖然陀螺儀是測量輸出速度的，但是角速度傳感器不一定就是陀螺儀。陀螺儀的依據(jù)就是陀螺原理：一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一個(gè)方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 可以永遠(yuǎn)指向地面保持垂直。如果設(shè)法對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子垂直于其轉(zhuǎn)軸施加沖擊，這個(gè)沖擊會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生新動(dòng)量使之旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)。沖擊還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級(jí)的改變，但新的角速度方向已和新的動(dòng)量矩方向不一致。沖擊后，轉(zhuǎn)子軸將緊靠新動(dòng)量矩 L+△ L的方向作微幅高頻的抖動(dòng)（就好似自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又繞原旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)），其幅度與ω成反比，而頻率則與ω成正比。由于ω很大，這種抖動(dòng)實(shí)際上是不易察覺的，所以可認(rèn)為沖擊并未明顯改變轉(zhuǎn)子軸的方向，即高速自轉(zhuǎn)均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸具有抗沖擊的能力，這種特性稱為定軸性。但是，如果轉(zhuǎn)子沒有自轉(zhuǎn)，那么任 何微小沖擊將使轉(zhuǎn)子軸獲得角速度，而此后將按這個(gè)方向無限制地偏離下去。 在應(yīng)用中，我們只要檢查設(shè)置好的旋轉(zhuǎn)軸的指向就能知道我們自身有沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這個(gè)偏轉(zhuǎn)角也能由其旋轉(zhuǎn)軸指向給出。這就是陀螺儀的原理。但在實(shí)際應(yīng)用中不可能讓一個(gè)轉(zhuǎn)子保持在每秒幾萬轉(zhuǎn)的飛速旋轉(zhuǎn)條件下，所以實(shí)際的陀螺儀并不是真的有轉(zhuǎn)子在其中，而是利用科里奧利原理設(shè)計(jì)出來的?？评飱W利提出剛體旋轉(zhuǎn)時(shí)的存在一個(gè)假想力（后世均稱之為科里奧利力）。他提出的模型效應(yīng)是：正如我們所見，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上不同半徑位置的線速度不同，當(dāng)物體從盤心沿徑向向外運(yùn)動(dòng)時(shí)起對(duì)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(huì)發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應(yīng)該存在一個(gè)這樣的力的作用，這就是他提出的假象力。這個(gè)力迫使徑向運(yùn)動(dòng)的物體線速度增加，所以沿徑向移動(dòng)的速度決定了這個(gè)力的大小即為 vMf ?2? 。 實(shí)際陀螺儀的測量原理就是利用科里奧利效應(yīng)設(shè)計(jì)的，這個(gè)在上文假設(shè)的轉(zhuǎn)盤就是被測的剛體，其沿自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。而陀螺儀中有沿軸向設(shè)計(jì)兩組電容板，一組電容板驅(qū)動(dòng)物體沿徑向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)引起橫向電容板的容值發(fā)生變化（ 按科里奧利效應(yīng)，也就是科里奧利力的分析，在有角速度時(shí)，物體會(huì)有切向位移，位移引起容值變化）。通過測量容值變化就可以分析出科里奧利力的大小，這個(gè)力的大小和角速度成正比關(guān)系，就可以按如上公式計(jì)算出角速度而且線性度極好。 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 本設(shè)計(jì)中，傳感器選擇 ITG3200，采用如上原理設(shè)計(jì)。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式設(shè)計(jì)制造的芯片，輸出采用標(biāo)準(zhǔn) IIC 總線協(xié)議，由 SCL 和 SDA 引腳傳遞數(shù)據(jù)。該芯片不需要初始化，只需要在呼叫時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的模式，傳輸?shù)刂沸畔⒉⒉樵儜?yīng)答即可，又由于 AVR 自帶有 IIC 總線引腳，只需要自己初始化設(shè)置即可。 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(jì)、三軸陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場傳感器。加入的目的不言而喻，在初始化 GPS 坐標(biāo)之后，只要用這三個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)就可以得出目前所在 GPS 坐標(biāo)，甚至不需要如 GPS 儀一般頻繁搜索衛(wèi)星（下文簡稱搜星）應(yīng)答獲取精確位置。 如果許多智能產(chǎn)品，最典型的如智能手機(jī)，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(biāo)的原理就是采用九軸的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。 如前文所言，三軸加速度計(jì)輸出三個(gè)軸向的加速度，陀螺輸出角 度，而地磁場就是直接輸出角度。 對(duì)于地磁傳感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電磁感應(yīng)、 AMR 相異性磁力阻抗感應(yīng)、巨磁效應(yīng)（本文不再逐一介紹）。 本設(shè)計(jì)采用芯片 HMC5883LSMD，采用磁阻效應(yīng)設(shè)計(jì)。磁阻效應(yīng)：載流子的運(yùn)動(dòng)必須要求有電動(dòng)勢也就是導(dǎo)體內(nèi)的電場力作用才能移動(dòng)，當(dāng)存在磁場時(shí)，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)（類似霍爾效應(yīng)），在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(chǎn)生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏 轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致載流子的漂移路徑增加?；蛘哒f，沿外加電場方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 本章小結(jié) 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 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。事實(shí)上，由于四軸飛行器的火熱，它的姿態(tài)傳感器層出不窮，而最為著名和被廣泛應(yīng)該的就是 MPU6050，內(nèi)部集成了本章介紹的三個(gè)傳感器外，并以 STM32 作為微處理器，集成有氣壓計(jì)，可以用于根據(jù)不同高度的大氣壓力不同測算出目前的高度 ,內(nèi)部自帶有 GPS 算法，能直接給出地理坐標(biāo)。但價(jià)格昂貴，筆者在做比賽時(shí)使用過，非常好用 ，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒有噪聲，筆者在此推薦。為了節(jié)約本次設(shè)計(jì)的成本，本次設(shè)計(jì)，采用以 AVR 為內(nèi)核的集成芯片 9DOF IMU，想比較而言，僅僅只是在附加功能上有差別，沒有高度測量和 GPS數(shù)據(jù)。 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(biāo)志位，以逗號(hào)的 ASCⅡ碼為分隔幀。輸出數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，每一個(gè)角度由若干個(gè)八位數(shù)據(jù)構(gòu)成，且全部采用 ASCⅡ碼，中間用 2EH 表示浮點(diǎn)，可按 ASCⅡ重裝回為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)束時(shí)附上 0DH和 0AH。用串口調(diào)試程序獲得的數(shù)據(jù)如圖 所示。 式 Z軸 數(shù)據(jù)融合了地磁場數(shù)據(jù)，正西方是為 0。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(jī)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)了水平位置，把地磁數(shù)據(jù)做成GPS輸出。而這個(gè)傳感器并不是校準(zhǔn)水平，而是直接根據(jù)地磁數(shù)據(jù)，輸出目前傳感器所在位置的三軸角度。 圖 用串口調(diào)試程序在 PC上接收的傳感數(shù)據(jù) 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 4章 飛行器模型分析 概述 飛行器飛行原理 四旋翼飛行器，由十字型機(jī)架和四組旋槳電機(jī)組合構(gòu)成。和直升機(jī)的上升原理相同，旋槳的旋轉(zhuǎn)迫使空氣加速向下流動(dòng)，由于空氣被氣旋作用，飛行器守反作用力而產(chǎn)生拉力。當(dāng)四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時(shí)，飛行器加 速上升同理可以完全懸停和下降。 除了上升了下降以外，因?yàn)槁菪龢谛D(zhuǎn)時(shí)將空氣往下推動(dòng)的同時(shí)還有水平方向的沖量（最終形成的是氣旋往下），致使也會(huì)在水平方向產(chǎn)生扭矩，這股力的方向和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。扭矩的作用使得飛行器有了繞中心旋轉(zhuǎn)的加速度，也就是在 Z軸方向的一個(gè)自由度。為了保證在正常情況下飛行器穩(wěn)定懸浮在空氣中，多旋翼的軸數(shù)一般都設(shè)計(jì)為偶數(shù)。讓其中一組正轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，另一組反轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，這樣就用一組去抵消另一組旋翼的扭矩，保持不會(huì)自身旋轉(zhuǎn)。基于此，四軸飛行器想要懸停，必須要求四個(gè)旋翼的上拉力量之和等于自身重力，并且 有一組旋翼（一般設(shè)置對(duì)線上的兩個(gè)為一組）正轉(zhuǎn)，另一組反轉(zhuǎn)。 而前進(jìn)、后退、側(cè)飛三個(gè)動(dòng)作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行器傾斜，在傾斜時(shí)，飛行器受重力作用分解出水可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 14 平方向的加速度，形成前進(jìn)、后退、側(cè)飛兩個(gè)動(dòng)作。 在一般性研究中，我們一般要求飛行器四個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度相同、提供上升加速后到達(dá)預(yù)定位置然后四個(gè)電機(jī)同時(shí)下降轉(zhuǎn)速變?yōu)樯偷扔谥亓?、正副?duì)角線上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同方向但相同轉(zhuǎn)速完成懸停之后再按要求改變電機(jī)轉(zhuǎn)速完成其他運(yùn)動(dòng)。 四軸飛行器模型建立辦法 四軸飛行器的飛行動(dòng)力，來源于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)所帶來的空氣流動(dòng)，受其反 作用的影響產(chǎn)生上升的力（這個(gè)力的分析詳參文獻(xiàn) 【 2】 ）。文獻(xiàn)中將這一個(gè)力的作用用動(dòng)量來分析，直接得到飛行器所獲得的反作用力，來用分析的速度也就叫誘導(dǎo)速度（它專指通過槳盤時(shí)的氣流速度，下文用 1v 表示） 【 2】 。 在本設(shè)計(jì)中，想建立四軸飛行器的模型結(jié)構(gòu)，獲得在一定范圍下的線性模型，既而討論算法。而對(duì)于飛行器的模型建立，其實(shí)質(zhì)上將是一種剛體轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的模型。在分析時(shí)，首先建立出力和螺旋槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并集總分析施加在飛行器上的力的方向等。然 后利用力學(xué)原理，建立運(yùn)動(dòng)方程即可。 力或力矩與螺旋槳的關(guān)系 螺旋槳模型的分析屬于空氣動(dòng)力學(xué)模型，要求方法有動(dòng)量理論、葉素理論、渦流理論等。本文參考文獻(xiàn) 【 3】 的研究辦法，利用動(dòng)量理論和葉素理論分析。首先使用動(dòng)量理論分析誘導(dǎo)速度和力直接的關(guān)系，而誘導(dǎo)速度是升力、扭矩、阻力、側(cè)向力矩四個(gè)力的共同作用結(jié)果，但本文敘述時(shí)，首先給出了最終分析結(jié)果的式子，這個(gè)式子是我們的目標(biāo)式，目標(biāo)式的建立依據(jù)一是實(shí)驗(yàn)下確定了力與轉(zhuǎn)速的平方確實(shí)存在正比關(guān)系但具體系數(shù)未知，二是這個(gè)式子和按動(dòng)量分析下用誘導(dǎo)速度的平方建立的式子十分將近， 所以借用調(diào)和系數(shù)整理給出假設(shè)式，再用葉素理論建立另一個(gè)轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系式反算給出調(diào)和系數(shù)的表達(dá)式。 另外，螺旋槳可能工作在軸流狀態(tài)和斜流狀態(tài)，在前文分析中，只簡述了在軸流狀態(tài)的情況，即受到上升拉力和旋轉(zhuǎn)扭矩。但在實(shí)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)。不論是在飛行器前傾飛行時(shí)會(huì)有氣流斜向進(jìn)入氣流場，還會(huì)有自然風(fēng)等影響。隨之就帶來另外兩個(gè)不可忽略的力作用：阻力和側(cè)向力矩。 圖 本設(shè)計(jì) 所有飛行器架構(gòu) 2020 屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 本文依據(jù)文獻(xiàn) 【 3】 的分析理論簡要闡述四個(gè)力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 升力和扭矩關(guān)系 簡要分析：升力按分析可知，在研究中只 能先在軸流狀態(tài)分析再加入斜流的影響，所以拆分狀態(tài)，首先僅在軸流狀態(tài)下研究升力的作用關(guān)系。在軸流狀態(tài)下槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，由于槳葉的傾斜板式設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)影響了上下部的氣壓，由氣壓作用將氣流向下推動(dòng)。在這個(gè)過程中除了推動(dòng)了氣流外還聚攏了上部氣流。根據(jù)文獻(xiàn)【 2】 理論，假設(shè)空氣為理想氣體，不可壓縮，依據(jù)流速定理，對(duì)于流體來講，流速小的地方截面積大，流速大的地方截面積小。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動(dòng)加速進(jìn)入槳盤，這個(gè)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(dá)到速度最大值。 因?yàn)橹鄙龣C(jī)在軸向上會(huì)出現(xiàn)懸停和上升兩個(gè)狀態(tài)，上升時(shí)，空氣流本身和飛行器有相對(duì)速度，氣流會(huì)帶有速度的被推動(dòng)下降和壓縮，產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度也就越大。螺旋槳輸出的功率作用于氣流產(chǎn)生誘導(dǎo)速度，我們就可以用動(dòng)量定理來分析出這個(gè)力的大?。ū仨氄f明的是，誘導(dǎo)速度的大小在實(shí)際中恰巧等于最大速度的1/2），按文獻(xiàn) 【 2】 的分析這個(gè)力大小為： 因?yàn)槲覀冃枰氖寝D(zhuǎn)速和力的關(guān)系，所以配合乘上一個(gè)調(diào)和常數(shù) TC 引入目標(biāo) 式，式子變?yōu)椋? 這就是升力的和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。在分析中還發(fā)現(xiàn)，螺旋槳在作用氣流向下加速的同時(shí)還使得氣流有一定的扭轉(zhuǎn)，所以反作用于旋翼就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的扭矩，而扭矩的分析和升力的分析類似，前人的分析結(jié)果知道了他們的表達(dá)式形式相同，只是系數(shù)不同，所以直接給出目標(biāo)公式為： 阻力和側(cè)向力矩的關(guān)系 212 AvT ??2221 ?? RACT T?（ ） （ ） 2221 ?? RACD D? （ ） 可定方向的四軸飛行器設(shè)計(jì) 16 阻力和側(cè)向力矩的產(chǎn)生一定是在有斜流的狀態(tài)之下。在一定方向的斜流下，螺旋槳就會(huì)有一部分槳葉處于逆風(fēng)區(qū)，而另一部在順風(fēng)區(qū)，這樣的氣流會(huì)讓其下部氣旋的分布發(fā)生不均勻的現(xiàn)象，而這樣的不對(duì)稱氣流是周期變化的，這是模型中最復(fù)雜的部 分，由于本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于傳感器的數(shù)據(jù)處理和控制算法的研究，所以本文直接借用文獻(xiàn) 【 3】 的結(jié)論建立目標(biāo)式： 至此說明：按前文的推論，原始式是式（ ），按動(dòng)量定理建立，之后的四個(gè)式子都是一種目標(biāo)表達(dá)式，其中最關(guān)鍵的就是系數(shù) LQDT CCCC 、 的確定，在下