四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-20 15:25 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 模電機(jī)的主流選擇，因?yàn)樗α看蠖夷陀?。小型的四旋翼飛行器一般選用空心杯電機(jī)，屬于有刷電機(jī)一類。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的是大型四旋翼飛行器，故采用的是無(wú)刷電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)根據(jù)廠商的不同，種類也是非常的多，市面上的主要有朗宇、新西達(dá)、銀燕等品牌。在這些無(wú)刷電機(jī)中口碑最好的就是朗宇電機(jī)，用的人非常的多，因此采用朗宇無(wú)刷電機(jī)。四旋翼飛行器所用的無(wú)刷電機(jī)主要有電機(jī)尺寸和電機(jī)KV值兩個(gè)參數(shù)。電機(jī)尺寸指的是電機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑和高度，電機(jī)KV值是指外加1V電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的每分鐘空載轉(zhuǎn)速。根據(jù)參數(shù)設(shè)置最后選擇采用朗宇A(yù)221KV1400無(wú)刷電機(jī)。電機(jī)實(shí)物圖。無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)就是俗稱的電子調(diào)速器也稱電調(diào)。，紅色接電源正極，黑色接電源負(fù)極。右邊三根線和電機(jī)的三根線相連，如果轉(zhuǎn)向反了，只需將其中任意兩根線互換就可以。白紅黑三根線是和電調(diào)相連的，白色為信號(hào)線，紅色為控制板提供5V供電電源，黑色的線接控制器的GND。 圖 朗宇無(wú)刷電機(jī) 圖 電子調(diào)速器實(shí)物圖 機(jī)架和螺旋槳的選型對(duì)于機(jī)架的選擇，差的機(jī)架會(huì)使姿態(tài)傳感器讀取到的數(shù)據(jù)噪聲較大，加大四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中的不穩(wěn)定性，因此選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)量較輕的碳纖機(jī)架，這樣很大程度上也提高了飛行器的載重。螺旋槳是由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)為四旋翼飛行器提供升力的。螺旋槳分為正反槳，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)的電機(jī)需要配正槳，逆時(shí)針轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配反槳。槳的選型需要結(jié)合所選的電機(jī)來(lái)配備，從槳的型號(hào)我們可以讀出槳的直徑和角度，例如1047中的前兩位10表示槳的直徑單位是英寸，后兩位代表槳的角度。的螺旋槳，同樣轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)生的升力就會(huì)越大，也就需要更大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這就需要根據(jù)電機(jī)的大小去選擇槳的型號(hào)。在設(shè)計(jì)時(shí)選用1047的槳。 圖 四旋翼飛行器機(jī)架 圖 1047正反槳 遙控控制模塊 該遙控器控制模塊是由一個(gè)7通道的遙控器和配套的接收機(jī)組成的，接收機(jī)上的油門、副翼、升降舵、方向舵通道分別與控制器上的接口相連。控制器能通過(guò)定時(shí)器的捕獲功能，捕獲到遙控器通過(guò)接收機(jī)傳出的控制信號(hào)，遙控器就是這樣控制四旋翼飛行器的飛行動(dòng)作的。圖 4 四旋翼飛行器姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理姿態(tài)參考系統(tǒng)是利用慣性導(dǎo)航器件來(lái)測(cè)量載體姿態(tài)角的一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)镸EMS傳感器的數(shù)據(jù)帶有噪聲，因此姿態(tài)參考系統(tǒng)需要對(duì)MEMS傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行濾波處理。然后對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行姿態(tài)解算。由于姿態(tài)傳感器各自特點(diǎn)的不同，所以需要對(duì)每個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以此來(lái)提高測(cè)量的精度和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。姿態(tài)參考系統(tǒng)的原理圖。 圖 姿態(tài)參考系統(tǒng)原理圖從MEMS傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破魈幚淼倪^(guò)程中會(huì)受到很多因素的干擾，造成傳輸誤差，為了減小誤差，提高檢測(cè)的精度就需要用濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。濾波器可以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，具有較大的靈活性[[] ]。從加速度傳感器提取到的信號(hào)經(jīng)過(guò)姿態(tài)解算后的姿態(tài)角信號(hào)在和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的過(guò)程中以低頻信號(hào)為主的。根據(jù)這一特性，加速度傳感器的輸出信號(hào)可以通過(guò)低通濾波器或者均值濾波器提高信噪比。陀螺儀信號(hào)具有高動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，它的信號(hào)噪聲主要為高斯白噪音，我們可以通過(guò)卡爾曼濾波器來(lái)濾除這種高斯白噪聲。因?yàn)樾枰诤霞铀俣葌鞲衅鳙@得的姿態(tài)角信號(hào)，所以選擇均值濾波來(lái)去除噪聲。 電子羅盤傳感器測(cè)量的是地磁強(qiáng)度，我們都知道物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)地磁強(qiáng)度變化慢，它在姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中屬于低頻信號(hào)，因此采用均值濾波來(lái)濾除噪聲信號(hào)。歐拉角和四元數(shù)方法都是針對(duì)陀螺儀姿態(tài)測(cè)量進(jìn)行處理的數(shù)學(xué)方法，可以有效地解算處姿態(tài)角。把解算出來(lái)的姿態(tài)角進(jìn)行數(shù)據(jù)融合?？紤]到高動(dòng)態(tài)下陀螺儀測(cè)得的數(shù)據(jù)解算出的姿態(tài)角比較準(zhǔn)確因此在高動(dòng)態(tài)條件下選用陀螺儀信號(hào)，低動(dòng)態(tài)下加速度信號(hào)解算出的姿態(tài)角更穩(wěn)定因此在低動(dòng)態(tài)條件下選擇加速度信號(hào)。 傳感器信號(hào)處理 加速度傳感器信號(hào)處理加速度傳感器的輸出信號(hào)主要表示直線加速度大小和與重力方向的夾角[[] [M].北京:清華大學(xué)出版社, 2003]。 常用的數(shù)字濾波器有很多種，例如：限值濾波、遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法）、算術(shù)平均濾波法、中位值濾波法和中位值平均濾波法等[[] [D].]。在實(shí)際的姿態(tài)解算中一般采用低通濾波器或者均值濾波器去除高頻噪聲干擾信號(hào)。均值濾波因其具備低通濾波的特性并且計(jì)算簡(jiǎn)單，因此選用均值濾波來(lái)處理加速度信號(hào)。 陀螺儀信號(hào)處理陀螺儀信號(hào)濾波要選擇卡爾曼濾波算法。對(duì)于卡爾曼濾波器，首先要清楚系統(tǒng)狀態(tài)的描述方法，系統(tǒng)狀態(tài)的更新方法和系統(tǒng)測(cè)量值的更新方法，從卡爾曼濾波算法的數(shù)學(xué)公式，我們可以歸納出它的核心思想：首先根據(jù)系統(tǒng)上一次得來(lái)的最優(yōu)值計(jì)算出當(dāng)前的估計(jì)值和協(xié)方差，再根據(jù)協(xié)方差大小計(jì)算出卡爾曼增益的大小，最后根據(jù)當(dāng)前估計(jì)值和測(cè)量值計(jì)算出當(dāng)前最優(yōu)值和協(xié)方差。下面分步建立卡爾曼濾波方程式：預(yù)估計(jì)最優(yōu)值方程： X(k|k1) = A(k,k1) * X(k1|k1) + B(k) * U(k) (41)上式中，X(k|k1)表示的是根據(jù)k1時(shí)刻的最優(yōu)值計(jì)算出的k時(shí)刻估計(jì)值；X(k|k1)表示k1時(shí)刻的最優(yōu)值；A(k,k1)是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B(k)是輸入控制加權(quán)矩陣；U(k)表示k時(shí)刻的輸入控制信號(hào)，這些參數(shù)需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)估計(jì)最優(yōu)值協(xié)方差： P(k|k1) = A(k,k1) * P(k1|k1) * A(k,k1) + Q(k) (42)其中，P(k|k1)表示預(yù)估計(jì)最優(yōu)值X(k|k1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差；P(k1|k1)表示X(k1|k1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差，表示了對(duì)預(yù)測(cè)值的信任度；Q(k)表示k時(shí)刻系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差，即對(duì)上一次測(cè)量估計(jì)值的信任程度，Q矩陣值越大表示信任度越低，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。P和Q矩陣的區(qū)別在于Q矩陣是根據(jù)模型直接得到的，P矩陣是算法過(guò)程中通過(guò)計(jì)算獲得的。計(jì)算卡爾曼增益矩陣：K(k)=P(k|k1) * H(k) / (H(k) * P(k|k1) * H(k) + R(k)) (43) 其中，K(k)表示卡爾曼增益；R(k)表示k時(shí)刻觀測(cè)過(guò)程的covariance，即對(duì)測(cè)量的信任程度；H(k)表示觀測(cè)矩陣。更新估計(jì)： X(k|k)=X(k|k1)+ K(k) * (Z(k) – H(k) * X(k|k1)) (44) P(k|k)=(1 K(k)* H(k)) * P(k|k1) (45)其中，Z(k)表示k時(shí)刻的觀測(cè)值，I為單位矩陣。 電子羅盤信號(hào)處理 電子羅盤信號(hào)非常容易受到高頻干擾，在系統(tǒng)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)過(guò)濾系統(tǒng)的高頻噪聲，最好采用去極值濾波算法[[] 黃曉英,傅士冀,陳俊,[J].電測(cè)與儀表,2011, 48(549):4748]。去極值濾波就是將連續(xù)測(cè)量的n個(gè)采樣值，按照數(shù)據(jù)的大小順序進(jìn)行排序，去掉最大值和最小值后對(duì)剩下的n2個(gè)數(shù)值計(jì)算求取平均值，這種方法是最常用
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