【正文】 這個四旋翼飛行器確實還有很多可以改進(jìn)的地方， 我會在今后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)探索改進(jìn)，也 希望學(xué)弟學(xué)妹們能夠繼續(xù)在這個多元化的技術(shù)平臺上學(xué)到更多有用的東西。然后開始調(diào)試工作。 清楚了電子調(diào)速器的使用，之后便開始對遙控器編程，解碼無線接收器的信息。在學(xué)習(xí)使用DMP 的使用過程中，見識了一些很厲害的網(wǎng)友，他們發(fā)的技術(shù)貼對我完成 DMP姿態(tài)解算幫助巨大。 這個課題要求的知識面比較廣，很多東西從來沒有接觸過，比如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的知識，四旋翼飛行器的飛行原理， MPU6050 的姿態(tài)解算，還有四旋翼飛行器用到的電子調(diào)速器，無刷電機，遙控 器、接收機等等這些東西完全沒有概念，不知所云。 沒有加入氣壓傳感器來為飛行器定高， 抗風(fēng)能力也 不強。但同時還存在以下問題： 沒有為加入一些 LED 燈來作為指示 使用 MPU6050 發(fā)送的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出 ROLL， PITCH 及 YAW。 要根據(jù)自己的真實情況來調(diào)節(jié)參數(shù)。 調(diào)節(jié) PID 參數(shù)首先要了解 P、 I、 D 三個參數(shù)的意義及作用。當(dāng) D 增加到 時，發(fā)現(xiàn)飛行器的震蕩更加劇烈了，說明 D 的值過大了，經(jīng)過耐心的試參數(shù)，最終確定， D=。 D 是具有阻尼作用的，希望 D 的加入能夠消除 P 引起的 震蕩。繼續(xù)將 P 值加大到，發(fā)現(xiàn)飛行器開始左右震蕩，幅度 越震越大 ，說明 P 過大了。 首先，令積分系數(shù)和微分系數(shù)都為 0，從比例系數(shù)為很小的值調(diào)起。 要了解 PID 控制中 P、 I、 D 三個參數(shù)的具體含義。要注意綁繩子的方式跟飛行器是＋模式還是 X 模式有關(guān)。這里一定要注意，由于 D 是阻尼作用，所以，陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)符號必須為負(fù)，否則就變成增益而不是阻尼了。 PID 程序中定義單個 float 型變量： error_rol， error_pit， error_yaw 分別接收實際 ROLL， PITCH， YAW 角與目標(biāo)值的差值。 設(shè) u(k)為 PID 控制器在第 K 次采樣時刻的輸出值。由于歐拉角要通過四元數(shù)反三角函數(shù)計算得來，所以，歐拉角控制的方法計算量較大。如比例微分（ PD）控制、湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 比例 積分（ PI）控制、比例 積分 微分（ PID）控制等。 e(t)表示被控量的實際值與目標(biāo)值的差值。 PID 控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，可靠性強的特點受到青睞，成為世界工業(yè)控制使用率最高的控制器。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第六章 四旋翼飛行器 PID 控制器設(shè)計 正確解算四旋翼飛行器的姿態(tài)就為姿態(tài)控制提供了關(guān)鍵依據(jù)。所以，需要對各傳感器的數(shù)據(jù)取長補短，才能得到近實時且穩(wěn)定的姿態(tài)。所以其動態(tài)性能較差。慣性測量器件的校正對姿態(tài)結(jié)算提供重要基礎(chǔ)，如果未經(jīng)校正就進(jìn)行測量，后續(xù)輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù)很可能就是錯誤的，導(dǎo)致整個飛行器系統(tǒng)根本無法正常運行。規(guī)范化四元數(shù)可以表示一次旋轉(zhuǎn)。一般旋轉(zhuǎn)有 4 種表示方式：矩陣表示、歐拉角表示、軸角表示和四元數(shù)表示。假設(shè)初始時刻，兩坐標(biāo)系重合。四旋翼飛行器屬于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。姿態(tài)解算的工作至關(guān)重要。程序簡單，容易理解。所以， PID 控制器分三個部分分別對這三個量進(jìn)行 PID 控制。將姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入PID 控制器，主控器使用 PID 控制器計算得到使飛行器達(dá)到目標(biāo)姿態(tài)的四個電機的 PWM 值。這就必須配置好定時器每個通道 TIM_Prescale 和 TIM_Period。只要 status 的第 8 位一直為 1，那么第二次捕獲就不會進(jìn)行，在處理完捕獲數(shù)據(jù)后，將 status 清 0，就可以開啟第二次捕獲。我們在 TIMER 的初始化中將每個通道設(shè)為上升沿中斷的，當(dāng)上升沿到來時，程序進(jìn)入捕獲中斷的服務(wù)函數(shù)中，判斷 status 的第 7 位是否為 0，如果為 0，則說明還未捕獲到新的上升沿，那么就把 status、 value 和 TIM_CNT 置零。而且這個設(shè)置是必須的，只有讓捕獲中斷的優(yōu)先級最高，主控器才能實時接收到遙控器的命令而不被其他中斷打斷。所以要將這四個通道的 PWM 高電平時間采集出來并保存至主控的寄存器中。 程序的關(guān)鍵在于 SPI 模塊的初始化和 NRF24L01 的初始化。而 B 方法剛好與 A 相反。 STM32F103C8T6主控器中含有兩個 SPI 模塊。sensors， amp。自檢結(jié)束后，傳感器才有輸出。 dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ)。如果這個函數(shù)執(zhí)行失敗，將無法使用 DMP 寄存器的功能。配置 FIFO 通道 mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ)。 由于 MPU6050 的要通過 IIC 通信協(xié)議才能對寄存器操作，所以必須確保程序中的 IIC 程序正確。 DMP 使用方法 MPU6050 有官方的 DMP 寄存器操作庫。如果不要上位機，只要下位機做的好，飛行器也可以很好的起飛，可以完成所有動作。以下介紹幾個常用到的功能幀： 飛控姿態(tài)顯示對應(yīng)的功能幀為 0xAF，幀格式為： 0x88+0xAF+0x1C+ACC DATA+GYRO DATA+MAG DATA+ANGLE DATA+ 0x00 + 0x00+ 0x00+SUM，共32字節(jié)。 匿名上位機通信協(xié)議 下位機發(fā)送數(shù)據(jù)格式為： 0x88+FUN+LEN+DATA+SUM。同時還可以實時顯示四個電機狀態(tài)， 7 個遙控通道數(shù)據(jù)，及電池的電量使用情況。可以實時顯示出慣性器件測出的 ACC 的 XYZ 三軸 波形，GRYO 的 XYZ 三軸波形， 3 個姿態(tài)角的波形等。 （ 2） 高級收碼。 安裝好如下圖： 圖 安裝效果 圖 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第四章 四旋翼上位機及下位機 匿名上位機軟件平臺 匿名上位機功能 匿名科創(chuàng)開發(fā)的 上位機軟件平臺目前最新的版本具有地面站功能，可以下載飛控程序。 將電池放在容 易更換的地方。 螺旋槳的安裝也要注意螺旋槳的翼面要與機架所在水平面保持平行。就得到 X 模式的四旋翼飛行器。原理圖如下 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 5V 穩(wěn)壓電源電路圖 四旋翼飛行器 的 安裝 飛行器硬件連接圖 圖 飛行器硬件連 接關(guān)系圖 x 模式和 +模式的區(qū)別 在上文四旋翼飛行器原理中已經(jīng)介紹過四旋翼飛行器的兩種模式。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第一次使用接收機 要將無線接收機與天地飛 7 遙控器進(jìn)行對碼。方向舵是控制飛行器的飛行方向，副翼是控制飛行器的橫滾角，升降舵是控制飛行器的俯仰角的。右邊搖 桿上下為升降舵，左右為副翼。具有超強的抗干擾能力，使用了高端擴頻（ DSSS） + 跳頻技術(shù)，可以 60 臺遙控器同時開機工作而不互相影響。目前天 地飛遙控器已經(jīng)發(fā)布到天地飛 9 版本。但有個問題需要注意，在開機或者復(fù)位8 秒之內(nèi)， MPU6050 的 DMP 寄存器要進(jìn)行自身穩(wěn)定，所以這段時間輸出的數(shù)據(jù)都是假數(shù)據(jù)， 8 秒之后輸出的數(shù)據(jù)就會很準(zhǔn)確。其片內(nèi)集成了一個精度很高的振蕩器，可用來為 MPU6050 提供工作時鐘。4 ， 177。1000， 177。主控器可以通過 XDA，XCL 直接訪問擴展設(shè)備的寄存器，使其輸出 9 軸的運動數(shù)據(jù)。此外，JLink 也可以，效果相同。這對使用數(shù)據(jù)手冊的能力和編程能力要求較高。固件庫中包含了 STM32 所有內(nèi)部資源的操作源文件，使得用戶在對 STM32 編程時變得相當(dāng)簡潔方便，尤其是在對控制器的配置中顯得尤為突出。 具有 CRC 計算單元。 多達(dá) 8 個定時器，其中 2 個高級定時器， 4 個普通定時器， 2 個基本定時器。 帶有 128KB 字節(jié)閃存的。 圖 2200mAh 30C 充電鋰電池 飛行主控 stm32f103c8t6 STM32 系列是意法半導(dǎo)體公司基于 ARM 公司專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計內(nèi)核而設(shè)計的 32 位高性能，低功耗高級微控制器。本設(shè)計中的電池放電強度為 2200*30=66000mA。 圖 1045 正反槳 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 2200mAh 30C 充電鋰電池 同樣容量的電池中，鋰電池的質(zhì)量最輕，所以本設(shè)計選擇鋰電池。第一次使用電子調(diào)速器要對電子調(diào)速器初始化，初始化就是對電子調(diào)速器設(shè)置油門行程 ，確定電子調(diào)速器輸出最小和最大電流，還有其他一些保護(hù)模式，詳細(xì)的操作設(shè)置，可以參考新西達(dá)電子調(diào)速器說明書。四旋翼飛行器就是通過控制電子調(diào)速器達(dá)到控制無刷電機的轉(zhuǎn)速從而使飛行器做出相關(guān)動作的。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 XXD2212 930KV 無刷電機 新西達(dá) 30A 電子調(diào)速器 新西達(dá)電子調(diào)速器是航模無刷電子調(diào)速器的一種。 電機參數(shù)解釋： 2212 前兩位是指無刷電機轉(zhuǎn)子 的直徑為 22mm，后兩位是指無刷電機轉(zhuǎn)子高度為 12mm。 圖 風(fēng)火輪 450 機架 新西達(dá) 2212 930kv 無刷電機 無刷電機運用于航模，優(yōu)越性非常明顯：無刷電機工作效率很高，一般的有刷電機摩擦大，損耗大，發(fā)熱多，壽命短，效率低，輸出功率小。當(dāng) 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，飛行器實現(xiàn) Yaw 運動。就是 X 模式下的機體坐標(biāo)。當(dāng) 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 1湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器可實現(xiàn)俯仰運動，即飛行器向前后飛。實現(xiàn)基本的飛行動作只需調(diào)節(jié)一組螺旋槳的轉(zhuǎn)速。機體繞 X 軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與水平面的夾角，即為橫滾角，角度正負(fù)與慣性器件的安裝有關(guān)。上圖展示的是＋模式。第三，在技術(shù)上進(jìn)行一些先導(dǎo)性的嘗試，總結(jié)相關(guān)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，以供借鑒。所以，從工程和理論的角度來講，四旋翼飛行器的研究具有重要意義。可應(yīng)用于軍事偵察、監(jiān)視、巡邏、獲取情報等。第三，利用慣性器件測算四旋翼飛行器姿態(tài)信息的準(zhǔn)確度也是實現(xiàn)穩(wěn)定控制的關(guān)鍵。 設(shè)計意義及應(yīng)用前景 四旋翼飛行器的控制有很多難點。 目前，國內(nèi)有很多致力于開源四旋翼飛行器研發(fā)的科技企業(yè)及技術(shù)團(tuán)隊，最受歡迎的有匿名科創(chuàng)開發(fā)的匿名四軸，圓點博士小四軸等。 深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司 (DJIInnovations，簡稱 DJI)，成立于 2021 年。 目前國外四旋翼飛行器的研究發(fā)展迅速，美國、日本、韓國、澳大利亞和德國等在此項目上經(jīng)驗豐富，技術(shù)較為成熟。這種基于視覺的四旋翼飛行器控制可以很好地被用于執(zhí)行一些特殊任務(wù)，如，在固定平臺自主起飛、降落，又如，與地面可移動機器人協(xié)同工作等。 賓 夕 法尼亞大學(xué)的 HMX4 最大長度 76cm，重 700g，機體底部有 5 個彩色標(biāo)記。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 OS4 第二代 OS4II 的機身最大長度 72cm，重 520g。 OS4I最大長度約 73cm， 質(zhì)量為 235g； 它使用了 DraganflyerⅢ 的旋翼和機架， 4 個Faulhaber1724 電機，以及一個 Xsense 的 MT9B 微慣性器件。這些優(yōu)勢使四旋翼飛行器迅速成為無人機領(lǐng)域冉冉升起的新星，也讓人看到了它的研發(fā)價值和應(yīng)用前景。 2021 年 2 月，由美國種子基金會（ The Sapling Foundation）運營的非盈利組織 TED 大會請出了美國賓 夕 法尼亞大學(xué)（ University Of Pennsylvania）動 力科學(xué)院（ School of Engineering and Applied Science）的一位教授和他所帶領(lǐng)的一個四旋翼飛行器研發(fā)團(tuán)隊，他們陳述了目前一些無人機的不足之處和四旋翼飛行器的優(yōu)越性，并多元化展示了他們研發(fā)的四旋翼飛行器在軍事，勘探等多種行業(yè)的多種用途。 關(guān)鍵詞： 四旋翼飛行器， STM32F103， MPU6050，姿態(tài)解算， PID 控制器 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） II ABSTRACT In recent years, with the new material and new MEMS technology, the quadrotor obtains a rapid development .And that made it bee a popular flight model among many model aircraft enthusiasts. Quadrotor is a kind of symmetry with the advantages of simple structure, strong flexibility, It can take off and land vertically, In addition, it can also hover in the air and even do some difficult maneuver. Its superior performance has the very broad application prospects. This design