【文章內(nèi)容簡介】 點圖 ADXL345 I2C 總線接線圖 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 1 就是有 32 級 FIFO 緩存，存儲了就近時間內(nèi) 32 組三軸加速度數(shù)據(jù)。所以接收機不需要發(fā)指令完成轉(zhuǎn)換等操作，大大減輕了接收機的工作負擔。芯片采用 14 引腳封裝，具體引腳安排和基本工作外部接線圖可從網(wǎng)上搜索，本文不贅述。 本設(shè)計采用 ADXL345 推薦的 IIC 總線通信模式傳遞傳感數(shù)據(jù)到 AVR 中。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。 在芯片接入時，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，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)更新時給中斷信號，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機可讀取數(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之后還要加入三軸陀螺儀。有人認為加速度計輸出結(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就足夠了。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。 起問題關(guān)鍵就在于加速度計的致命缺點上，對于加速度計來說，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。在四旋翼這個高度不穩(wěn)定的機械系統(tǒng) 中，電機轉(zhuǎn)速的一點點不平衡都會引起傾斜和繞 Z軸轉(zhuǎn)動。實時性要求高就必然要求加速度計要工作在敏感區(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 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 10 10 如果讓兩者配合，就能實現(xiàn)反應靈敏又純凈的輸出信號。 傳感器原理 首先，必須意識到，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：一個高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠指向一個方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉(zhuǎn)時可以永遠指向地面保持垂直。如果設(shè)法對一個轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子垂直于其轉(zhuǎn)軸施加沖擊，這個沖擊會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生新動量使之旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)。沖擊 還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級的改變，但新的角速度方向已和新的動量矩方向不一致。沖擊后，轉(zhuǎn)子軸將緊靠新動量矩 L+△ L的方向作微幅高頻的抖動（就好似自身旋轉(zhuǎn)的同時又繞原旋轉(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，這種抖動實際上是不易察覺的，所以可認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，而此后將按這個方向無限制地偏離下去。 在應用中，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。但在實際應用中不可能讓一個轉(zhuǎn)子保持在每秒幾萬轉(zhuǎn)的飛速旋轉(zhuǎn)條件下，所以實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)計出來的。科里奧利提出剛體旋轉(zhuǎn)時的存在一個假想力（后世均稱之為科里奧利力）。他提出的模型效應是：正如我們所見，在一個旋轉(zhuǎn)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。這個力迫使徑向運動的物體線速度增加，所以沿徑向移動的速度決定了這個力的大小即為 vMf ?2? 。 實際陀螺儀的測量原理就是利用科里奧利效應設(shè)計的，這個在上文假設(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)計兩組電容板，一組電容板驅(qū)動物體沿徑向運動，這個物體的運動引起橫向電容板的容值發(fā)生變化（按科里奧利效應，也就是科里奧利力的分析，在有角速度時，物體會有切向位移，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，這個力的大小和角速度成正比關(guān)系，就可以按如上公式計算出角速度而且線性度極好。 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 1 本設(shè)計中，傳感器選擇 ITG3200，采用如上原理設(shè)計。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式設(shè)計制造的芯片，輸出采用標準 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，只需要在呼叫時使用標準協(xié)議的模式，傳輸?shù)刂沸畔⒉⒉樵儜鸺纯?，又由?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、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 坐標之后，只要用這三個傳感器的數(shù)據(jù)就可以得出目前所在 GPS 坐標，甚至不需要如 GPS 儀一般頻繁搜索衛(wèi)星（下文簡稱搜星）應答獲取精確位置。 如果許多智能產(chǎn)品，最典型的如智能手機，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，三軸加速度計輸出三個軸向的加速度，陀螺輸出角度，而地磁場就是直接輸出角度。 對于地磁傳感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效應、霍爾效應、電磁感應、 AMR 相異性磁 力阻抗感應、巨磁效應（本文不再逐一介紹）。 本設(shè)計采用芯片 HMC5883LSMD，采用磁阻效應設(shè)計。磁阻效應：載流子的運動必須要求有電動勢也就是導體內(nèi)的電場力作用才能移動，當存在磁場時，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)（類似霍爾效應），在達到穩(wěn)態(tài)時，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)導致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。 本章小結(jié) 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 12 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該的就是 MPU6050，內(nèi)部集成了本章介紹的三個傳感器外，并以 STM32 作為微處理器，集成有氣壓計，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。但價格昂貴，筆者在做比賽時使用過，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)計的成本，本次設(shè)計，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碼作為開始標志位，以逗號的 ASCⅡ碼為分隔幀。輸出數(shù)據(jù)為浮點數(shù)據(jù)，每一個角度由若干個八位數(shù)據(jù)構(gòu)成，且全部采用 ASCⅡ碼，中間用 2EH 表示浮點，可按 ASCⅡ重裝回為浮點數(shù)據(jù)，結(jié)束時附上 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，再開機時自動校準了水 平位置，把地磁數(shù)據(jù)做成GPS 輸出。而這個傳感器并不是校準水平，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) 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 1 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，由十字型機架和四組旋槳電機組合構(gòu)成。和直升機的上升原理相同，旋槳的旋轉(zhuǎn)迫使空氣加速向下流動，由于空氣被氣旋作用，飛行器守反作用力而產(chǎn)生拉力。當四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時，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，因為螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時將空氣往下推動的同時還有水平方向的沖量（最終形成 的是氣旋往下），致使也會在水平方向產(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，保持不會自身旋轉(zhuǎn)?；诖?，四軸飛行器想要懸停，必須要求四個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)置對線上的兩個為一組）正轉(zhuǎn)，另一組反轉(zhuǎn)。 而前進、后退、側(cè)飛三個動作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行 器傾斜，在傾斜時，飛行器受重力作用分解出水遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 14 14 平方向的加速度，形成前進、后退、側(cè)飛兩個動作。 在一般性研究中，我們一般要求飛行器四個電機旋轉(zhuǎn)速度相同、提供上升加速后到達預定位置然后四個電機同時下降轉(zhuǎn)速變?yōu)樯偷扔谥亓Α⒄睂蔷€上的電機旋轉(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轉(zhuǎn)速完成其他運動。 四軸飛行器模型建立辦法 四軸飛行器的飛行動力，來源于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)所帶來的空氣流動，受其反作用的影響產(chǎn)生上升的力（這個力的分析詳參文獻 【 2】 ）。文獻中將這一個力的作用用動量來分析，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速度（它專指通過槳盤時的氣流速度，下文用 1v 表示） 【 2】 。 在本設(shè)計中，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。而對于飛行器的模型建立，其實質(zhì)上將是一種剛體轉(zhuǎn)動和平動的模型。在分析時，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。然后利用力學原理，建立運動方程即可。 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力學模型，要求方法有動量理論 、葉素理論、渦流理論等。本文參考文獻 【 3】 的研究辦法，利用動量理論和葉素理論分析。首先使用動量理論分析誘導速度和力直接的關(guān)系，而誘導速度是升力、扭矩、阻力、側(cè)向力矩四個力的共同作用結(jié)果，但本文敘述時，首先給出了最終分析結(jié)果的式子，這個式子是我們的目標式，目標式的建立依據(jù)一是實驗下確定了力與轉(zhuǎn)速的平方確實存在正比關(guān)系但具體系數(shù)未知，二是這個式子和按動量分析下用誘導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轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系式反算給出調(diào)和系數(shù)的表達式。 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會有氣流斜向進入氣流場，還會有自然風等影響。隨之就帶來另外兩個不可忽略的力作用：阻力和側(cè)向力矩。 圖 本設(shè)計所有飛行器架構(gòu) 遼寧石油化工大學繼續(xù)教育學院論文 1 本文依據(jù)文獻 【 3】 的分析理論簡要闡述四個力和轉(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，由于槳葉 的傾斜板式設(shè)計，轉(zhuǎn)動時影響了上下部的氣壓，由氣壓作用將氣流向下推動。在這個過程中除了推動了氣流外還聚攏了上部氣流。根據(jù)文獻【 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。 因為直升機在軸向上會出現(xiàn)懸停和上升兩個狀態(tài)，上升時，空氣流本身和飛行器有相對 速度，氣流會帶有速度的被推動下降和壓縮，產(chǎn)生的誘導速度也就越大。螺旋槳輸出的功率作用于氣流產(chǎn)生誘導速度，我們就可以用動量定理來分析出這個力的大?。ū仨氄f明的是，誘導速度的大小在實際中恰巧等于最大速度的1/2），按文獻 【 2】 的分析這個力大小為： 因為我們需要的是轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系，所以配合乘上一個調(diào)和常數(shù) TC 引入目標式，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還使得氣流有一定的扭轉(zhuǎn)， 所以反作用于旋翼就會產(chǎn)生對應的扭矩，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式形式相同，只是系數(shù)不同，所以直接給出目標公式為： 阻力和側(cè)向力矩的關(guān)系 212 AvT ??2221 ?? RACT T?（ ） （ ） 2221 ?? RACD D? （ ） 遼寧石油化工大學繼續(xù)教