四旋翼無人機設(shè)計與制作畢業(yè)論文-資料下載頁
2025-06-23 15:25本頁面
【正文】 上式寫成矩陣形式 (424)對四元數(shù)一階微分方程進行一階畢卡算法可得： (425)(8)對四元數(shù)進行規(guī)范化處理，于是得下式421： (426)(9)以上得到的新的四元數(shù)代表完成了一次四元數(shù)的運算，將此四元數(shù)回到開頭，將舊的四元數(shù)更新為新四元數(shù)，作為下一次四元數(shù)運算的初始數(shù)，再從(1)開始下一次的四元數(shù)運算[[] [D]]。與此同時將新的四元數(shù)更新規(guī)范化后轉(zhuǎn)化成三個歐拉角得下式(422)，完成了姿態(tài)的初步運算[[] 趙翔,杜普選,李虎,[J].鐵路計算機應(yīng)用,2012,21(3):1518.]： (427) 校準載體航向角通過三軸數(shù)字電子羅盤可以校準陀螺儀積分獲得的航偏角以消除累計誤差。如果電子設(shè)備干擾強烈的情況下需要暫停數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)融合[[] 嚴懷成,黃心漢,[J].傳感器技術(shù),2005,24(10):14]，因為這樣測到的數(shù)據(jù)誤差非常的大。對地磁傳感器常用的校準方法之一是平面校準法[[] [D]]：使用數(shù)字羅盤前，對其進行初始化，然后進行磁場校準，將傳感器水平放置并旋轉(zhuǎn)一周得到新的圓周圓心位置 [[] 楊云濤,石志勇,關(guān)貞珍,等,一種基于磁偶極子磁場分布理論的磁場干擾補償方法[J].兵工學(xué)報, 2008,29(12):14851491.]。這是對水平的平面的校準。圖 xy平面校準前后對比同理需要對豎直平面進行校準，校準前后的對比圖。圖 xz平面校準前后對比當(dāng)載體靜止時，設(shè)地球磁場強度在載體坐標系b系各個軸的分量為，在導(dǎo)航坐標系R系各軸的分量，根據(jù)可得： (428)將422式求得的、代入上式，即可求出和。航向角可由式424得出： (429) 5 四旋翼飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序設(shè)計 姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計姿態(tài)參考系統(tǒng)的軟件部分主要是對MEMS傳感器數(shù)據(jù)和三軸數(shù)字電子羅盤傳感器的數(shù)據(jù)進行處理和數(shù)據(jù)融合。圖 姿態(tài)參考系統(tǒng)程序流程圖通過軟件流程圖可以清楚地看到，系統(tǒng)首先完成MCU內(nèi)部初始化的工作，即配置STM32使用到的外設(shè)，包括時鐘系統(tǒng)、NVIC中斷控制器、USART串口通信、I2C接口、定時器；然后進行硬件初始化以及系統(tǒng)的姿態(tài)解算，采用模塊化的設(shè)計，具體包括以下4個部分：(1)初始化硬件；(2) MEMS慣性測量單元的數(shù)據(jù)采集模塊；(3)多傳感器數(shù)據(jù)融合的姿態(tài)解算模塊；(4)姿態(tài)信息輸出模塊。首先開啟定時器中斷，根據(jù)傳感器的特點進行濾波后，再利用初始校正所得到的校正數(shù)據(jù)對讀取的數(shù)據(jù)作校正，校正完后轉(zhuǎn)換成實際的物理量，再對其做加權(quán)平均減小誤差，然后進行四元數(shù)姿態(tài)解算和地磁數(shù)據(jù)校準，最后進行數(shù)據(jù)融合輸出姿態(tài)角信息。 PID控制算法設(shè)計根據(jù)四旋翼飛行器的工作原理知，因為其結(jié)構(gòu)對稱，所以改變電機的轉(zhuǎn)速差能夠?qū)崿F(xiàn)對飛行器的姿態(tài)控制，而飛行器的位置控制要靠電機的總升力和飛行器姿態(tài)改變的[[] [D]]。所以，將飛行控制系統(tǒng)分為位置控制系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)分別進行控制設(shè)計。由于飛行器姿態(tài)會直接影響到飛行器的位置，認為飛行器姿態(tài)控制器為內(nèi)環(huán)控制器，位置控制器為外環(huán)控制器。這種數(shù)字式PID控制有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法兩種形式，這里采用的是增量式PID算法[[] [D]]，其表達式為： (51)其中，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，微分系數(shù)。是第次采樣時刻計算的PID輸出值，是第次采樣時刻控制器輸入的偏差。，四旋翼飛行器的姿態(tài)可分為俯仰角、橫滾角和偏航角，針對每一個自由度都是一個二階系統(tǒng)[[] 千承輝,楊慧婷,任同陽,李峙雄,[J]吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版).2015]。對每個姿態(tài)角都進行PID控制，這樣就可以將復(fù)雜的非線性多變量輸入多變量輸出控制問題化簡為兩變量輸入單變量輸出的問題[[] 張靜,劉恒,[J]]。如式52所示。 (52)這里、代表的是控制四個電機所需要的PWM值，表示的是飛行器停留在空中需要的PWM值，可以由遙控器輸入或者自動高度修正，、分別表示的是俯仰角偏差、橫滾角偏差和航向角偏差、及其變化率所需的PWM值，把PWM限制在一定的范圍之內(nèi)。、采用串級PID控制算法，內(nèi)回路是角速度控制回路，外回路是角度控制回路。三個角度的控制規(guī)律是一致的，以俯仰角的控制為例，其中為控制飛行器的期望俯仰角，和分別表示飛行器俯仰角角度和俯仰角角速度。是外環(huán)PID的輸出值，是內(nèi)環(huán)PID控制器的輸出值，且。圖 串級PID控制圖首先需要求出四旋翼飛行器姿態(tài)誤差信號也就是期望值的姿態(tài)角與當(dāng)前獲取到的姿態(tài)角的差值，然后通過串級PID控制算法求得各個電機的調(diào)整量，將調(diào)整信號傳遞給四個旋轉(zhuǎn)電機，改變電機的轉(zhuǎn)速來控制整個系統(tǒng)的姿態(tài)，使其姿態(tài)誤差始終趨于最小，形成雙級閉環(huán)回路控制系統(tǒng)。 結(jié)論通過本次畢業(yè)設(shè)計我從中學(xué)到了很多實際應(yīng)用的知識，掌握了四旋翼飛行器的原理，也學(xué)到了很多算法，能夠真正把理論結(jié)合到實踐當(dāng)中去，獲益良多；在這中間也遇到了許許多多的問題，在老師和學(xué)長的幫助下都一個一個的解決了，這個過程也是真正學(xué)習(xí)和進步的過程。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，不用考慮復(fù)雜的流體力學(xué)等結(jié)構(gòu)而非常受歡迎。本次設(shè)計主要做了如下的工作：(1)了解了四旋翼飛行器的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；(2)詳細介紹了四旋翼飛行器的飛行原理、動作原理和姿態(tài)控制原理等；(3)完成了姿態(tài)測量系統(tǒng)的選型工作并且基于這些傳感器設(shè)計了電路原理圖并且做出了電路板，搭建了硬件平臺，對飛行器的機架、電機、電子調(diào)速器、螺旋槳、電源等硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了配型和搭建；(4)通過閱讀大量的文獻資料完成了對四旋翼飛行器姿態(tài)算法的研究工作，從坐標系的建立和坐標變換到四元數(shù)姿態(tài)矩陣的推導(dǎo)都有詳細的說明，針對加速度數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)和地磁數(shù)據(jù)的特點分別給出了合適的濾波算法，在數(shù)據(jù)融合方面對地磁數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算得出航向角，然后對四元數(shù)得到的航向角進行校正；(5)使用串級PID控制算法一定程度上使得控制效果更好，對定高控制系統(tǒng)進行了簡要的介紹說明，完成了對四旋翼飛行器的參數(shù)調(diào)試和整定工作。雖然在飛行器試飛過程中，能夠很好地實現(xiàn)飛行功能，但是仍有一些不足之處需要改善，主要有以下幾個方面：(1)因為電機和機架的震動較大，加速度計對姿態(tài)的干擾無法消除，當(dāng)遙控器沒有給出遙控指令的時候，飛行器會往一邊偏移。(2)陀螺儀累積誤差導(dǎo)致姿態(tài)的誤差會越來越大。(3)四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行對四個電機和電子調(diào)速器性能的一致性要求較高。(4)需要上位機實時返回四旋翼飛行器的飛行參數(shù)，然而我們還沒有作這方面的工作。 參 考 文 獻–36
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