四旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文-資料下載頁(yè)
2025-06-23 15:25本頁(yè)面
【正文】 上式寫成矩陣形式 (424)對(duì)四元數(shù)一階微分方程進(jìn)行一階畢卡算法可得： (425)(8)對(duì)四元數(shù)進(jìn)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(yùn)算，將此四元數(shù)回到開(kāi)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(yùn)算的初始數(shù)，再?gòu)?1)開(kāi)始下一次的四元數(shù)運(yùn)算[[] [D]]。與此同時(shí)將新的四元數(shù)更新規(guī)范化后轉(zhuǎn)化成三個(gè)歐拉角得下式(422)，完成了姿態(tài)的初步運(yùn)算[[] 趙翔,杜普選,李虎,[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,21(3):1518.]： (427) 校準(zhǔn)載體航向角通過(guò)三軸數(shù)字電子羅盤可以校準(zhǔn)陀螺儀積分獲得的航偏角以消除累計(jì)誤差。如果電子設(shè)備干擾強(qiáng)烈的情況下需要暫停數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)融合[[] 嚴(yán)懷成,黃心漢,[J].傳感器技術(shù),2005,24(10):14]，因?yàn)檫@樣測(cè)到的數(shù)據(jù)誤差非常的大。對(duì)地磁傳感器常用的校準(zhǔn)方法之一是平面校準(zhǔn)法[[] [D]]：使用數(shù)字羅盤前，對(duì)其進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行磁場(chǎng)校準(zhǔn)，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(chǎng)分布理論的磁場(chǎng)干擾補(bǔ)償方法[J].兵工學(xué)報(bào), 2008,29(12):14851491.]。這是對(duì)水平的平面的校準(zhǔn)。圖 xy平面校準(zhǔn)前后對(duì)比同理需要對(duì)豎直平面進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前后的對(duì)比圖。圖 xz平面校準(zhǔn)前后對(duì)比當(dāng)載體靜止時(shí)，設(shè)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系b系各個(gè)軸的分量為，在導(dǎo)航坐標(biāo)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(jì) 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)姿態(tài)參考系統(tǒng)的軟件部分主要是對(duì)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(jìn)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(guò)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(shí)鐘系統(tǒng)、NVIC中斷控制器、USART串口通信、I2C接口、定時(shí)器；然后進(jìn)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(jì)，具體包括以下4個(gè)部分：(1)初始化硬件；(2) MEMS慣性測(cè)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(kāi)啟定時(shí)器中斷，根據(jù)傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行濾波后，再利用初始校正所得到的校正數(shù)據(jù)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)作校正，校正完后轉(zhuǎn)換成實(shí)際的物理量，再對(duì)其做加權(quán)平均減小誤差，然后進(jìn)行四元數(shù)姿態(tài)解算和地磁數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合輸出姿態(tài)角信息。 PID控制算法設(shè)計(jì)根據(jù)四旋翼飛行器的工作原理知，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速差能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛行器的姿態(tài)控制，而飛行器的位置控制要靠電機(jī)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(jìn)行控制設(shè)計(jì)。由于飛行器姿態(tài)會(huì)直接影響到飛行器的位置，認(rèn)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(dá)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(shí)刻計(jì)算的PID輸出值，是第次采樣時(shí)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(duì)每一個(gè)自由度都是一個(gè)二階系統(tǒng)[[] 千承輝,楊慧婷,任同陽(yáng),李峙雄,[J]吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版).2015]。對(duì)每個(gè)姿態(tài)角都進(jìn)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(wèn)題化簡(jiǎn)為兩變量輸入單變量輸出的問(wèn)題[[] 張靜,劉恒,[J]]。如式52所示。 (52)這里、代表的是控制四個(gè)電機(jī)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(dòng)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(jí)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(gè)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(jí)PID控制圖首先需要求出四旋翼飛行器姿態(tài)誤差信號(hào)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(guò)串級(jí)PID控制算法求得各個(gè)電機(jī)的調(diào)整量，將調(diào)整信號(hào)傳遞給四個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的姿態(tài)，使其姿態(tài)誤差始終趨于最小，形成雙級(jí)閉環(huán)回路控制系統(tǒng)。 結(jié)論通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我從中學(xué)到了很多實(shí)際應(yīng)用的知識(shí)，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(shí)踐當(dāng)中去，獲益良多；在這中間也遇到了許許多多的問(wèn)題，在老師和學(xué)長(zhǎng)的幫助下都一個(gè)一個(gè)的解決了，這個(gè)過(guò)程也是真正學(xué)習(xí)和進(jìn)步的過(guò)程。四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)主要做了如下的工作：(1)了解了四旋翼飛行器的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；(2)詳細(xì)介紹了四旋翼飛行器的飛行原理、動(dòng)作原理和姿態(tài)控制原理等；(3)完成了姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的選型工作并且基于這些傳感器設(shè)計(jì)了電路原理圖并且做出了電路板，搭建了硬件平臺(tái)，對(duì)飛行器的機(jī)架、電機(jī)、電子調(diào)速器、螺旋槳、電源等硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了配型和搭建；(4)通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)資料完成了對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)算法的研究工作，從坐標(biāo)系的建立和坐標(biāo)變換到四元數(shù)姿態(tài)矩陣的推導(dǎo)都有詳細(xì)的說(shuō)明，針對(duì)加速度數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)和地磁數(shù)據(jù)的特點(diǎn)分別給出了合適的濾波算法，在數(shù)據(jù)融合方面對(duì)地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算得出航向角，然后對(duì)四元數(shù)得到的航向角進(jìn)行校正；(5)使用串級(jí)PID控制算法一定程度上使得控制效果更好，對(duì)定高控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹說(shuō)明，完成了對(duì)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(guò)程中，能夠很好地實(shí)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(gè)方面：(1)因?yàn)殡姍C(jī)和機(jī)架的震動(dòng)較大，加速度計(jì)對(duì)姿態(tài)的干擾無(wú)法消除，當(dāng)遙控器沒(méi)有給出遙控指令的時(shí)候，飛行器會(huì)往一邊偏移。(2)陀螺儀累積誤差導(dǎo)致姿態(tài)的誤差會(huì)越來(lái)越大。(3)四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行對(duì)四個(gè)電機(jī)和電子調(diào)速器性能的一致性要求較高。(4)需要上位機(jī)實(shí)時(shí)返回四旋翼飛行器的飛行參數(shù)，然而我們還沒(méi)有作這方面的工作。 參 考 文 獻(xiàn)–36
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