【導讀】兩組螺旋槳的旋轉方向相反，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軸的轉速即可實現各種復雜運動。見其具有廣泛的軍事和民事應用前景。但是四旋翼飛行器控制難度較大,難點在于飛行器具。有欠驅動、多變量、非線性等比較復雜的特性。領域的熱點和難點。四旋翼飛行器有各種的運行狀態(tài),比如:爬升、下降、懸停、滾轉運動、俯仰運動、偏航運動等。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歐拉角進行控制。制單元、執(zhí)行單元和基于GPS的簡單導航系統(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目,基于AVR8位單片機Atmega328p、大的升力等優(yōu)點;而且四旋翼飛行器非常遠在狹小的空間內執(zhí)行任務。有廣闊的應用前景,吸引了眾多的科研人員,成為國內外的研究熱點。作為無人機中富有生命力的機型，四軸飛行器還具備無人機的多種優(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*/ 在主函數中定義一個指針 p，指向頭文件中的數組，即 p=Char_data_1。再調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 位部分數據 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 位部分數據 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 字模存入數組 字模從“空格”建立到小寫“ z”，由以下子程序輸出對應的 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 位部分數據 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 位部分數據 for(i=0。i8。i++) Write_LCD_dat(*p++)。 Cl_addr+=8。//將列地址增量 } } 因為字庫的第一個數組是空格，即 0x20，所以進入該子程序的數組減去 0x20，即可指向 ASCII碼字庫對應的英文字符。 5. 整機測試 在完成以上測試之后，便可進行整體測試。這時切記將遙控器打到較小的舵位并關閉，以免出現危險。將 PWM輸出端口與對應電機的電調連接，注意信號線，不要接錯。 上電后，打開遙控器，電機以較低速度運轉，帶動槳旋轉。近距離感受下槳吹出的風的方向。若槳出風方向向上，證明該電機三相電源相續(xù)反了，任意對調三相供電中一對電源接線即可。 整機測試圖片如下圖 51： 圖 51 整機測試圖 由于螺旋槳夾性能問題，當槳輸出大力矩的時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。 實測中， PID算法對控制飛行器還是有點吃力，當方向舵給定方向的速度太快，飛行器就不能穩(wěn)定，很容易出現側傾。多次調試改善不大，判斷應該采用更高級的控制算法才能實現更好的 控制品質。 總結 本文基于 AVR單片機和慣性測量單元（ IMU） MPU6050完成了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計。主要核心內容為完成了基于 IMU的飛行器姿態(tài)檢測和數字 PID控制算法 ，及 GPS導航 ，并在最后完成了試驗機型的調試、制作。 經過對實驗記錄和實驗結果的觀測， 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學模型做了充分簡化，并將姿態(tài)角控制在較小范圍內的基礎上。 GPS導航系統(tǒng)的設計也能完成預定的導航功能。 所以本設計的性能要求還達不 到實用水平。針對這一點，存在兩方面的改進空間。 第一方面，采用性能更高的 ARM架構處理器和更多的傳感器。 AVR單片機雖然在硬件資源上能基本滿足四旋翼飛行器的項目需求，單片機運算速率也明顯快于常用的 51系列單片機，但是在面對飛行控制這種對精度和實時性、快速性有較高有求的系統(tǒng)，運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，一般可以增加磁強計，超聲波測距模塊等傳感器。 第二方面，采用更復雜的控制算法。 PID算法雖然簡便通用，但是面對實際是欠驅動、非線性的四旋翼飛行器，控制效果顯然不如更先進的控制算法。根據使用條件，建議可采用滑模控制、 Back Stepping控制、模糊 PID控制等先進算法 本次設計采用了 AVR單片機作為控制核心， GPS模塊與點陣液晶模塊采用串口方式與單片機進行通訊，大大減少了對端口的占用。利用本系統(tǒng)，能夠根據需要采集 GPS衛(wèi)星數據，如經緯度信息，衛(wèi)星時間。也可記錄當前經緯度坐標作為目的地進行導航或測量飛行器飛行距離，以及當前衛(wèi)星時間，并顯示在液晶顯示屏上。 通過本次設計， 掌握了一些實踐 性質設計的基本步驟：首先，明確設計任務，并且要初步了解現今國內外發(fā)展現狀。其次，結合現有實際條件，確立自己的設計方案，包括電路總體的設計、元器件的選擇以及程序的大致流程。把系統(tǒng)的各個部分的基礎功能模塊化，分塊設計與測試。最終再進行整合與整體設計。 展望 在本系統(tǒng)的設計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，無法進行精確的導航。同時在軟件設計中程序運行效率不是很高，程序較為臃腫，對單片機片內存儲的占用過多。測量精度不高，受干擾比較嚴重，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)的基礎上，可以添加電子羅盤，將偏航角引入到導航計算中，從而使飛行器的飛行路線更加精確與穩(wěn)定。同時可以加入無線模塊，使此系統(tǒng)分為機載控制與地面控制兩塊，便于數據的采集與飛行器的實時監(jiān)控。 這些年，機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任務的飛行器將在人類生活中的各個方面得到普及！ 參考資料 [1] 徐文 .小型和微型無人機發(fā)展現狀及其裝備情況 [J].飛航導彈 , 2020,11:1620. 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