【文章內(nèi)容簡介】 ，電調(diào)的供電通過分電板獨立分出電壓。電子調(diào)速器的信號線都連接到CC3D飛控的4個輸入通道上，由于每個電子調(diào)速器都有5V的穩(wěn)壓輸出，所以每個電子調(diào)速器都可以進行供電，其中任意3個電調(diào)的5V電源線直接連接到飛控端，給飛控供電，剩下的一組電源線接到Arduino控制板，給控制板進行供電。接收機的俯仰，偏航，滾轉通道分別連接在飛控的俯仰，偏航和滾轉通道上，供電由飛控輸出5V電壓。而接收機的油門信號線和手動自動模式信號線則連接到Arduino控制板的PWM信號輸入端?？刂瓢宓膔x和tx接口連接超聲波傳感器的對應接口，傳感器的供電也由控制板提供,控制板輸出的油門信號最終連接到CC3D飛控的油門信號輸入端。 硬件原理圖 硬件設計小結基于四旋翼飛行器的定高，通過任務要求選擇210mm軸距的機架，進而確定其余設備的尺寸型號大小，基于超聲波傳感器的精確測量和穩(wěn)定性，選擇傳感器為HCSR04。選用Arduino2560開發(fā)板作為高度控制系統(tǒng)的核心控制系統(tǒng)，具有合適的PWM輸入和模擬輸出接口，在整個硬件系統(tǒng)中，除電機外的其余硬件都可以支持5V供電，通過分電板的降壓模塊，可以持續(xù)輸出5V的電壓，為控制系統(tǒng)進行供電。由于電機是通過電子調(diào)速器來控制電機轉速，所以控制板所輸出的信號需傳遞給CC3D飛控，飛控將信號進行分析，最終的處理結果通過4個調(diào)子調(diào)速器所對應的端口分別輸出給電子調(diào)速器，再由電子調(diào)速器對每顆電機的轉速進行控制。3 控制系統(tǒng)的軟件設計 四旋翼飛行器的控制流程及控制功能四旋翼的四個旋翼處于同一高度平面，四個電機對稱安裝在飛行器的機臂端，機架中間安裝飛控和周邊設備。螺旋槳轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，四個旋翼中的兩個電機正轉，兩個電機反轉，且對角線上的各個電機轉動方向相同。4321xy3zz4y21x(b) 升降(a) 油門 432x4321xyzzy 偏航1(d) 偏航(c) 滾轉 四旋翼方向控制 四旋翼飛行器的控制方向分為升降，偏航，油門，滾轉()。(a)為四旋翼飛行器的油門控制，通過控制增大遙控器的油門通道，將同時增大四顆電機的轉速，當螺旋槳產(chǎn)生的升力大于四旋翼本身的重量時，飛行器將上升。同理，通過控制減小遙控器的油門通道，將同時減小四顆電機的轉速，使飛行器下降。 四旋翼飛行器的俯仰姿態(tài)，(b)所示。通過改變遙控器的升降通道，使前后側的電機1和電機2增大轉速，電機3和電機4減小轉速，增大轉速的電機將使機臂抬升，而減小轉速的一側將機臂降低，使四旋翼前后運動。四旋翼飛行器的滾轉姿態(tài)，(c)所示。通過改變遙控器的滾轉通道，使左右兩側的電機2和電機3增大轉速，電機1和電機4減小轉速，增大轉速的電機將使機臂抬升，而減小轉速的一側將機臂降低，使四旋翼左右運動。 旋翼轉動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉，兩個反轉，且對角線上的各個旋翼轉動方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉速有關，當四個電機轉速相同時，四個旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不發(fā)生轉動；當四個電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩會引起四旋翼飛行器轉動。(d)中，當操作遙控器的方向通道進行改變時，相對的兩顆電機轉速增大，也就是旋轉方向相同的電機。而另外兩顆電機轉速減小，由于反扭的左右，機身便在反扭力下沿著軸線旋轉，實現(xiàn)偏航。PPM信號 電機4電機3電機2電調(diào)4電調(diào)3電調(diào)2電調(diào)1PWM3PWM2PWM1PID控制姿態(tài)解算三軸磁力計三軸加速度計三軸陀螺儀主控制器姿態(tài)測量系統(tǒng)無線模塊姿態(tài)控制指令電機1PWM4 四旋翼控制框圖，只要為控制飛行器飛行姿態(tài)的指令，分為俯仰，油門，偏航和滾轉。遙控器通過手動移動不同通道的搖桿，使遙控器發(fā)出PPM信號，由安裝在飛行器上的無線遙控接收機接收遙控器發(fā)來的PPM信號，再進行解碼。分為4個不同姿態(tài)通道，使其為PWM信號傳送給飛行控制器。四旋翼飛行器由飛控來執(zhí)行遙控器的控制指令和調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)。飛控的控制目標是使其在無動作指令時保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動作指令時有效完成指定動作。飛控上的姿態(tài)傳感器測量飛行器的當前姿態(tài)，通過姿態(tài)解算，得到需要每顆電機修正的轉速大小，運用PID算法，從而將PWM信號輸出給電子調(diào)速器，通過電調(diào)來控制電機轉速修正姿態(tài)，當接收機傳給飛控一個偏航指令時，飛控將此指令與姿態(tài)解算的結果相互融合計算出每顆電機的修正轉速，再輸出給電子調(diào)速器，控制飛行器的姿態(tài)達到需要的位置。 程序設計思路本項目需要控制四旋翼飛行器的高度，而四旋翼飛行器高度的控制是通過油門控制4顆電機的轉速增加和減小來達到飛行器高度的升高與降低。由于四旋翼飛行器由手動控制，所以安裝在飛行器上的接收機可以接收發(fā)射機發(fā)出的控制信號，高度控制是通過遙控器的油門通道，接收機接收發(fā)射機的油門信號，將信號轉化成PWM信號發(fā)送給飛控來控制油門大小的變化，所以可以通過改變接收機發(fā)送給飛控的油門信號大小來間接控制飛行器的油門大小。首先通過外接控制板嵌入接收機和飛控中間，將接收機輸出的油門信號傳送給控制板，控制板可以直接輸出接收機的油門信號，同時還可以控制輸出油門PWM值的大小。通過外加傳感器安裝在飛行器上來測量飛行器的當前高度，通過高度的變化可以由控制板來自動控制油門的PWM信號，再傳遞給飛控，進而實現(xiàn)自動控制飛行器高度。為了可以手動完成控制和安全起見，需要有手動控制油門大小和自動控制油門大小兩個控制方式，需要從接收機端輸出另一通道實現(xiàn)手動自動的切換功能。由于信號都為PWM信號，切換功能可以由發(fā)射機手動切換，所以可以將切換功能的PWM信號大小輸出給控制板，由控制板來判斷手動模式還是自動模式。當切換為手動模式時，控制板接收到接收機的油門PWM信號時，可以直接輸出此PWM信號直接傳送給飛控。而自動模式下，控制板將接收傳感器的高度信號，通過計算高度的變化，輸出不同的油門PWM值大小傳遞給飛控，進而實現(xiàn)飛行器的高度自主控制。 程序流程圖 程序流程圖，首先對控制系統(tǒng)進行程序的初始化，控制板的引腳初始化。系統(tǒng)初始化后，由接收機發(fā)送手動自動模式的開關信號和油門通道信號給控制器，信號為PWM信號。系統(tǒng)讀取開關PWM信號并進行記錄，然后判斷手動自動模式開關PWM信號的高電平持續(xù)時間，小于1700為手動模式，大于1700為自動定高模式。INSBB = pulseIn(SB1, 1)。 //測量開關通道輸入的PWM值進入手動模式后，讀取油門輸入引腳的PWM值并記錄下來，油門值為THR；測量當前高度H為設定高度（當開關切換到自動模式后，此高度將作為設定高度進行運算，設定高度即為飛行器懸停的高度）。INTHR2 = pulseIn(THR3, 1)。 //測量油門通道輸入的PWM值H=pulseIn(EchoPin,1)/。將超聲波觸發(fā)引腳，置高電平，觸發(fā)超聲波測量高度，超聲波返回高度信號給控制器，記錄當前高度，如果記錄的高度大于250或者小于3，則作為高度限幅，此次高度作廢，以上一次測量的高度作為此次高度輸出。如果高度在3到250之間，則此次高度值有效。最后將記錄下的油門PWM值轉化為油門輸出引腳的高電平持續(xù)時間進行輸出，將PWM信號傳遞給飛控進行油門控制，即將接收機發(fā)送的油門信號原封不動的傳遞給飛控實現(xiàn)手動的控制。當檢測到開關PWM大于1700時，則啟動自動定高模式。首先檢測當前高度d1，將超聲波觸發(fā)引腳，置高電平，觸發(fā)超聲波測量高度，超聲波返回高度信號給控制器，記錄當前高度，如果記錄的高度大于250或者小于3，則作為高度限幅，此次高度作廢，以上一次測量的高度作為此次高度輸出。如果高度在3到250之間，則此次高度值有效，并且將上一次高度值與此次高度值進行比較，如果差值過大，則此次高度值作廢。將高度d1賦予高度數(shù)組，進行滑動濾波處理，把連續(xù)取得的6個高度采樣值放進高度數(shù)組，數(shù)組長度為6，每次測量的新高度值放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù)（先進后出原則），把數(shù)組中的6個高度數(shù)據(jù)進行算術平均運算，獲得新的濾波結果作為此次飛行器當前的高度輸出。Filter_Value = Filter()。// 獲得濾波器輸出值 滑