【導(dǎo)讀】兩組螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以抵消反扭力矩。旋槳具有固定漿距，飛行過程中只需改變四個(gè)軸的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。見其具有廣泛的軍事和民事應(yīng)用前景。但是四旋翼飛行器控制難度較大,難點(diǎn)在于飛行器具。有欠驅(qū)動(dòng)、多變量、非線性等比較復(fù)雜的特性。領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。四旋翼飛行器有各種的運(yùn)行狀態(tài),比如:爬升、下降、懸停、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)等。本文采用牛頓-歐拉模型來描述四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。PID控制算法對飛行器在空中的三個(gè)歐拉角進(jìn)行控制。制單元、執(zhí)行單元和基于GPS的簡單導(dǎo)航系統(tǒng)單元。示屏上模擬和顯示。本文主要參考國際上四旋翼開源項(xiàng)目,基于AVR8位單片機(jī)Atmega328p、大的升力等優(yōu)點(diǎn);而且四旋翼飛行器非常遠(yuǎn)在狹小的空間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。有廣闊的應(yīng)用前景,吸引了眾多的科研人員,成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。作為無人機(jī)中富有生命力的機(jī)型，四軸飛行器還具備無人機(jī)的多種優(yōu)勢。體型較小、無人駕駛，

　　

【正文】 0x04,0x04,0x7C,0x03,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x3F,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00,/*江,0*/ 0x04,0x04,0xE4,0x24,0x24,0x24,0x24,0x3F,0x24,0x24,0x24,0x24,0xE4,0x04,0x04,0x00, 0x80,0x80,0x43,0x22,0x12,0x0E,0x02,0x02,0x02,0x7E,0x82,0x82,0x83,0x80,0xE0,0x00,/*克,1*/ 0x10,0x10,0xD0,0xFF,0x90,0x10,0xE4,0x24,0x64,0xA4,0x3F,0xA4,0x64,0x24,0xE4,0x00, 0x04,0x03,0x00,0xFF,0x00,0x01,0xFF,0x00,0x09,0x09,0x7F,0x09,0x49,0x80,0x7F,0x00}/*楠,2*/ 在主函數(shù)中定義一個(gè)指針 p，指向頭文件中的數(shù)組，即 p=Char_data_1。再調(diào)用如下子程序輸出漢字： void disp_char_Chinese(unsigned char Y,unsigned char X,unsigned char*ptr,unsigned char char_count) { unsigned char Cl_addr,i,n。 Cl_addr=X*8。 for(n=0。nchar_count。n++) { Write_LCD_cmd(0x11+(Cl_addr4))。//輸入列地址 Write_LCD_cmd(0x04+(Cl_addramp。0x0f))。 Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2)。//寫入低 8 位部分?jǐn)?shù)據(jù) for(i=0。i16。i++) Write_LCD_dat(*ptr++)。 Write_LCD_cmd(0x11+(Cl_addr4))。//輸入列地址 Write_LCD_cmd(0x04+(Cl_addramp。0x0f))。 Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2+1)。//寫入高 8 位部分?jǐn)?shù)據(jù) for(i=0。i16。i++) Write_LCD_dat(*ptr++)。 Cl_addr+=16。//將列地址增量 } } ASCII 字庫的建立 圖 419 自動(dòng)生成 ASCII 碼 生成的字模選取需要的部分存入字庫頭文件中： 圖 420 字模存入數(shù)組 字模從“空格”建立到小寫“ z”，由以下子程序輸出對應(yīng)的 ASCII 碼： void disp_char_ASCII(unsigned char Y,unsigned char X,unsigned char a[],unsigned char char_count) { unsigned char Cl_addr,i,n。 unsigned char*p=0。 char x=0。 Cl_addr=X*8。 for(n=0。nchar_count。n++) { x=a[n]0x20。 p=ASC_4+x*16。 Write_LCD_cmd(0x11+(Cl_addr4))。//輸入列地址 Write_LCD_cmd(0x04+(Cl_addramp。0x0f))。 Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2)。//寫入低 8 位部分?jǐn)?shù)據(jù) for(i=0。i8。i++) Write_LCD_dat(*p++)。 Write_LCD_cmd(0x11+(Cl_addr4))。//輸入列地址 Write_LCD_cmd(0x04+(Cl_addramp。0x0f))。 Write_LCD_cmd(0xb0+Y*2+1)。//寫入高 8 位部分?jǐn)?shù)據(jù) for(i=0。i8。i++) Write_LCD_dat(*p++)。 Cl_addr+=8。//將列地址增量 } } 因?yàn)樽謳斓牡谝粋€(gè)數(shù)組是空格，即 0x20，所以進(jìn)入該子程序的數(shù)組減去 0x20，即可指向 ASCII碼字庫對應(yīng)的英文字符。 5. 整機(jī)測試 在完成以上測試之后，便可進(jìn)行整體測試。這時(shí)切記將遙控器打到較小的舵位并關(guān)閉，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)。將 PWM輸出端口與對應(yīng)電機(jī)的電調(diào)連接，注意信號(hào)線，不要接錯(cuò)。 上電后，打開遙控器，電機(jī)以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)槳旋轉(zhuǎn)。近距離感受下槳吹出的風(fēng)的方向。若槳出風(fēng)方向向上，證明該電機(jī)三相電源相續(xù)反了，任意對調(diào)三相供電中一對電源接線即可。 整機(jī)測試圖片如下圖 51： 圖 51 整機(jī)測試圖 由于螺旋槳夾性能問題，當(dāng)槳輸出大力矩的時(shí)候槳夾子有飛出的跡象，故為了安全起見，沒有輸出大力矩，飛行器只飛行到較低高度。 實(shí)測中， PID算法對控制飛行器還是有點(diǎn)吃力，當(dāng)方向舵給定方向的速度太快，飛行器就不能穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)側(cè)傾。多次調(diào)試改善不大，判斷應(yīng)該采用更高級的控制算法才能實(shí)現(xiàn)更好的 控制品質(zhì)。 總結(jié) 本文基于 AVR單片機(jī)和慣性測量單元（ IMU） MPU6050完成了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。主要核心內(nèi)容為完成了基于 IMU的飛行器姿態(tài)檢測和數(shù)字 PID控制算法 ，及 GPS導(dǎo)航 ，并在最后完成了試驗(yàn)機(jī)型的調(diào)試、制作。 經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)記錄和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀測， PID控制算法在一定條件下可以滿足四旋翼飛行器的控制，并有較好控制效果。不過這都是建立在對四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型做了充分簡化，并將姿態(tài)角控制在較小范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上。 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也能完成預(yù)定的導(dǎo)航功能。 所以本設(shè)計(jì)的性能要求還達(dá)不 到實(shí)用水平。針對這一點(diǎn)，存在兩方面的改進(jìn)空間。 第一方面，采用性能更高的 ARM架構(gòu)處理器和更多的傳感器。 AVR單片機(jī)雖然在硬件資源上能基本滿足四旋翼飛行器的項(xiàng)目需求，單片機(jī)運(yùn)算速率也明顯快于常用的 51系列單片機(jī)，但是在面對飛行控制這種對精度和實(shí)時(shí)性、快速性有較高有求的系統(tǒng)，運(yùn)算性能任然捉襟見肘。最明顯的就是由于性能原因，不能采用精度更高的 Kalman濾波算法。另外，僅僅采用 IMU模塊進(jìn)行姿態(tài)測量也存在精度問題，參考成功的案例，一般可以增加磁強(qiáng)計(jì)，超聲波測距模塊等傳感器。 第二方面，采用更復(fù)雜的控制算法。 PID算法雖然簡便通用，但是面對實(shí)際是欠驅(qū)動(dòng)、非線性的四旋翼飛行器，控制效果顯然不如更先進(jìn)的控制算法。根據(jù)使用條件，建議可采用滑?？刂?、 Back Stepping控制、模糊 PID控制等先進(jìn)算法 本次設(shè)計(jì)采用了 AVR單片機(jī)作為控制核心， GPS模塊與點(diǎn)陣液晶模塊采用串口方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，大大減少了對端口的占用。利用本系統(tǒng)，能夠根據(jù)需要采集 GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度信息，衛(wèi)星時(shí)間。也可記錄當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)作為目的地進(jìn)行導(dǎo)航或測量飛行器飛行距離，以及當(dāng)前衛(wèi)星時(shí)間，并顯示在液晶顯示屏上。 通過本次設(shè)計(jì)， 掌握了一些實(shí)踐 性質(zhì)設(shè)計(jì)的基本步驟：首先，明確設(shè)計(jì)任務(wù)，并且要初步了解現(xiàn)今國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。其次，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際條件，確立自己的設(shè)計(jì)方案，包括電路總體的設(shè)計(jì)、元器件的選擇以及程序的大致流程。把系統(tǒng)的各個(gè)部分的基礎(chǔ)功能模塊化，分塊設(shè)計(jì)與測試。最終再進(jìn)行整合與整體設(shè)計(jì)。 展望 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中還有許多地方有待完善。例如，本系統(tǒng)缺少電子羅盤，判斷方向上比較麻煩，無法進(jìn)行精確的導(dǎo)航。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中程序運(yùn)行效率不是很高，程序較為臃腫，對單片機(jī)片內(nèi)存儲(chǔ)的占用過多。測量精度不高，受干擾比較嚴(yán)重，系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠。 但是，作者對該系統(tǒng)的 前景寄予了很大的期望。在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以添加電子羅盤，將偏航角引入到導(dǎo)航計(jì)算中，從而使飛行器的飛行路線更加精確與穩(wěn)定。同時(shí)可以加入無線模塊，使此系統(tǒng)分為機(jī)載控制與地面控制兩塊，便于數(shù)據(jù)的采集與飛行器的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 這些年，機(jī)器人智能化已是大勢所趨，我相信，在不久的將來，自主巡航以完成各項(xiàng)任務(wù)的飛行器將在人類生活中的各個(gè)方面得到普及！ 參考資料 [1] 徐文 .小型和微型無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及其裝備情況 [J].飛航導(dǎo)彈 , 2020,11:1620. 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