【正文】 Wei Ren. On the design and development of attitude stabilization,visionbased navigation, and aerial gripping for a lowcost Quadrotor[D]. Auton Robot,2012:4158.[2]王勇軍. 四旋翼飛行器的工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[N]. 桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2015:03.[3] 馬丁每次我提出的問題都能細(xì)心的解答并且提出許多修改的意見，還有我許多沒有注意到的細(xì)節(jié)問題，使我的論文一步一步的完善，內(nèi)容更加豐富和專業(yè)。致 謝四年的大學(xué)生涯轉(zhuǎn)瞬即逝，大學(xué)讀書生活即將結(jié)束，馬上就要步入社會(huì)，這四年的刻苦學(xué)習(xí)，老師們的諄諄教導(dǎo)，使我在未來的事業(yè)道路上有了一定的基礎(chǔ)。所以在飛行器姿態(tài)變化時(shí)，飛行器輕微的傾斜導(dǎo)致超聲波無法與地面垂直并不會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果；超聲波測(cè)量相對(duì)距離，所以可以在有地形變化的情況下，實(shí)現(xiàn)地形定高。超聲波傳感器受到外界硬件的噪聲干擾嚴(yán)重，需要對(duì)器進(jìn)行更好的濾波，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的傳輸高度數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)主要基于超聲波檢測(cè)濾波和PID算法控制油門PWM的飛行器高度控制系統(tǒng)。控制板作為高度控制的主控系統(tǒng)，通過讀取超聲波傳感器的高度信號(hào)，進(jìn)而改變輸出油門的大小，來控制飛行器的油門變化，實(shí)現(xiàn)高度自主控制的功能。由于沒有給予超聲波傳感器在飛行器姿態(tài)上的補(bǔ)償，而超聲波傳感器測(cè)量的是與地面的垂直距離，所以在飛行器偏轉(zhuǎn)角度極大時(shí)，超聲波傳感器測(cè)量的高度數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，所以飛行器只能進(jìn)行較小的偏轉(zhuǎn)。利用超聲波模塊來檢測(cè)高度，由于超聲波模塊測(cè)量精度高，距離大，并且有測(cè)量角度范圍。當(dāng)有油門時(shí)，飛行器放置在同一高度，此時(shí)接收到的高度數(shù)據(jù)與實(shí)際高度完全不相符，所以無法取得定高時(shí)的實(shí)際高度。最后調(diào)節(jié)微分控制Kd，增加微分系數(shù)使得系統(tǒng)更快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。 //參數(shù)I float Kd=。但是只有比例控制時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)存在強(qiáng)烈的波動(dòng)，并且存在穩(wěn)態(tài)誤差，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，這時(shí)需要用到I參加控制即積分控制，油門輸出的信號(hào)與高度變化量的積分成正比，也就是高度變化的時(shí)間越長(zhǎng)，油門輸出信號(hào)也會(huì)增加，比例和積分同時(shí)控制就可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制即比例，積分，微分控制。超聲波傳感器在使用測(cè)試時(shí)數(shù)值顯示有輕微的波動(dòng)，為了使系統(tǒng)得到的超聲波傳感器高度信號(hào)更加準(zhǔn)確，變化更加平滑，采用了滑動(dòng)濾波處理。通過測(cè)量的最大和最小值則可以對(duì)油門做限幅，起到安全和保護(hù)作用。超聲波傳感器作為唯一的高度數(shù)據(jù)采集傳感器，需要非常準(zhǔn)確的精度和穩(wěn)定性。電機(jī)的輸出有最小怠速點(diǎn)，需要確定電機(jī)的最小怠速時(shí)的輸出值（）。在初始化中需要對(duì)這3種傳感器進(jìn)行初始校準(zhǔn)，就是確定四旋翼飛行器的水平基本面。在選擇遙控器信號(hào)類型后，飛控需要對(duì)飛行器的類型進(jìn)行選擇，CC3D飛控支持多旋翼，直升機(jī)，固定翼等幾種飛行器，并且支持4軸到6軸中的很多結(jié)構(gòu)形式，而210mm的機(jī)架為X型的四旋翼飛行器，在設(shè)置中，需要確定為X型四旋翼。 上位機(jī)初始畫面進(jìn)入上位機(jī)界面之后，需要通過USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)連接，使飛控與上位機(jī)接收和傳輸數(shù)據(jù)。通過給接收機(jī)通5V電壓自動(dòng)完成對(duì)頻。由于四旋翼的飛行是由手動(dòng)進(jìn)行無線遙控飛行，所以首先要對(duì)遙控器進(jìn)行初始化對(duì)頻。 油門的輸出量output就是PWM的值，所以各項(xiàng)中的系數(shù)就是使該項(xiàng)得到一個(gè)準(zhǔn)確的PWM增量，增加到當(dāng)前的油門量上。nowOutput為上次的油門量，output為此次需要輸出的油門量。 //高度差=預(yù)定高度當(dāng)前高度float output=nowOutput+Kp*(errorLastError_1)+Ki*((error+LastError_1)/2)+Kd*(error2*LastError_1+LastError_2)。float Kp=。 //PID控制最后將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出，將油門值通過油門引腳輸出PWM值給飛控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定高的功能。將高度d1賦予高度數(shù)組，進(jìn)行滑動(dòng)濾波處理，把連續(xù)取得的6個(gè)高度采樣值放進(jìn)高度數(shù)組，數(shù)組長(zhǎng)度為6，每次測(cè)量的新高度值放入隊(duì)尾，并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù)（先進(jìn)后出原則），把數(shù)組中的6個(gè)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，獲得新的濾波結(jié)果作為此次飛行器當(dāng)前的高度輸出。最后將記錄下的油門PWM值轉(zhuǎn)化為油門輸出引腳的高電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行輸出，將PWM信號(hào)傳遞給飛控進(jìn)行油門控制，即將接收機(jī)發(fā)送的油門信號(hào)原封不動(dòng)的傳遞給飛控實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的控制。INTHR2 = pulseIn(THR3, 1)。系統(tǒng)初始化后，由接收機(jī)發(fā)送手動(dòng)自動(dòng)模式的開關(guān)信號(hào)和油門通道信號(hào)給控制器，信號(hào)為PWM信號(hào)。由于信號(hào)都為PWM信號(hào)，切換功能可以由發(fā)射機(jī)手動(dòng)切換，所以可以將切換功能的PWM信號(hào)大小輸出給控制板，由控制板來判斷手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式。由于四旋翼飛行器由手動(dòng)控制，所以安裝在飛行器上的接收機(jī)可以接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，高度控制是通過遙控器的油門通道，接收機(jī)接收發(fā)射機(jī)的油門信號(hào)，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成PWM信號(hào)發(fā)送給飛控來控制油門大小的變化，所以可以通過改變接收機(jī)發(fā)送給飛控的油門信號(hào)大小來間接控制飛行器的油門大小。四旋翼飛行器由飛控來執(zhí)行遙控器的控制指令和調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)。而另外兩顆電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，由于反扭的左右，機(jī)身便在反扭力下沿著軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)偏航。通過改變遙控器的滾轉(zhuǎn)通道，使左右兩側(cè)的電機(jī)2和電機(jī)3增大轉(zhuǎn)速，電機(jī)1和電機(jī)4減小轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)速的電機(jī)將使機(jī)臂抬升，而減小轉(zhuǎn)速的一側(cè)將機(jī)臂降低，使四旋翼左右運(yùn)動(dòng)。同理，通過控制減小遙控器的油門通道，將同時(shí)減小四顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛行器下降。3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 四旋翼飛行器的控制流程及控制功能四旋翼的四個(gè)旋翼處于同一高度平面，四個(gè)電機(jī)對(duì)稱安裝在飛行器的機(jī)臂端，機(jī)架中間安裝飛控和周邊設(shè)備?？刂瓢宓膔x和tx接口連接超聲波傳感器的對(duì)應(yīng)接口，傳感器的供電也由控制板提供,控制板輸出的油門信號(hào)最終連接到CC3D飛控的油門信號(hào)輸入端。輸入名稱P3超聲波接收P24撥動(dòng)開關(guān)SB1P26油門輸入THR 輸出通道輸出名稱P2超聲波觸發(fā)P6油門輸出OUTTHR 硬件原理圖，電調(diào)的供電通過分電板獨(dú)立分出電壓。飛控的安裝也要保證與4個(gè)電機(jī)所在的平面平行。、Arduino Mega是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O輸入輸出端，其中14組可做PWM輸出，16組模擬輸入端?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。 超聲波傳感器發(fā)射端向測(cè)量方向發(fā)射超聲波，發(fā)射超聲波的同時(shí)計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波在傳播過程中碰到障礙物時(shí)就立即返回，接收器收到反射波停止計(jì)時(shí)。 futaba14sg r6106接收機(jī)四旋翼飛行器的核心飛控選擇CC3D mini飛控（），該飛控具有6通道，最大可支持6旋翼飛行器，而且具有自穩(wěn)功能，可接電腦調(diào)試。在此選用Matek Mini分電板（），此分電板具有很小的結(jié)構(gòu)，耐大電流的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)硬件組裝節(jié)省很多空間。四旋翼的螺旋槳有幾種槳型可供選擇：APC槳，碳槳與木槳，APC槳的效率很高，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，缺點(diǎn)是槳身比較軟，大載重時(shí)槳會(huì)輕微變形而震動(dòng)，不過新型的APC槳專門為多軸設(shè)計(jì)，增加了槳的硬度減小重量，解決了高速轉(zhuǎn)動(dòng)槳尖變形的問題，再次提高效率，APC槳的動(dòng)平衡好，槳葉的高頻噪聲小。 銀燕1806電機(jī) 銀燕12A電調(diào)，配合槳距為5寸螺距為3寸的螺旋槳使用，螺旋槳型號(hào)為乾豐5030（）。使用5寸高速螺旋槳，其最大電流為8A，最大拉力為380g，電機(jī)轉(zhuǎn)速為18510rmp。碳纖維材料具有強(qiáng)度高，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，使飛行器能更好的完成任務(wù)。該系統(tǒng)可以在一定的高度內(nèi)對(duì)飛行器實(shí)現(xiàn)高度的自主控制，超聲波傳感器測(cè)量精確，可以使飛行器在不同的路面或者傾斜地面上進(jìn)行相對(duì)高度位置確定的自主控制，使飛行器在執(zhí)行任務(wù)中提供有效的幫助。設(shè)計(jì)過程中涉及到了飛行器的組裝，本方案的四旋翼機(jī)構(gòu)全由購買的不同組件拼裝而成，飛控則需要進(jìn)行初始化和調(diào)參設(shè)置，還有遙控器的硬件調(diào)參等。由控制板直接接收油門信號(hào)和手動(dòng)自動(dòng)模式的切換信號(hào)，而高度傳感器作為高度的檢測(cè)信號(hào)，高度的處理和油門輸出全由控制板單獨(dú)完成，最后將處理結(jié)果通過PWM信號(hào)直接輸出給飛控，來完成高度控制。thrmode2yaw rollpitch 高度Thr’飛控超聲波傳感器Arduino控制板無線模塊控制指令