【正文】 盡管都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的功能，但是 Flash 還是與 EEPROM 有著讀寫方式的區(qū)別。因為這些數(shù)據(jù)的總量并不大，而且修改的2時候僅對其中的某幾個少量數(shù)據(jù)進行修改，因此非常適合 EEPROM 以字節(jié)為單位的讀寫。 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計 由于外部電源斷電之后，主控制器的 SRAM 數(shù)據(jù)丟失，所以重要的參數(shù)將發(fā)生不可逆的丟失，所以在飛控電路中設(shè)計了 EEPROM 對重要的飛行參數(shù)進行儲存。光流傳感器與超聲波傳感器均采用 5V 供電，它們共用一個串口進行通訊，光流傳感器的速度估計更新頻率達到 250Hz，超聲波的數(shù)據(jù)更新頻率為 10Hz。 MTI 測姿模塊采用 5V 供電，通過 RS232 串口回傳姿態(tài)數(shù)據(jù)，其中包括角速度、 加速 度、磁 航向 、 姿態(tài) 估計等 實時 信息 ，更 新頻 率 256Hz，控 制板 上板 載MAX3232 為串口提供 RS232 電平與 TTL 電平的轉(zhuǎn)換。 電源經(jīng)過防反接二極管、保險絲后降為 5V 左右的電壓為 MTI 測姿模塊、GPS 接收機、光流傳感器、超聲波傳感器供電。而且具有 全速設(shè)備接口與 Ethernet 接口，極大地方便了控制電路的設(shè)計。 （2）具有豐富的片內(nèi)外設(shè)電路，片內(nèi)提供 3 個最高采樣速度 的 12位 AD 轉(zhuǎn)換器且具有通用型 DMA，提供對于 16 個數(shù)據(jù)流的控制。它具有高達 1M的 Flash 存儲，高達 192K 的 SRAM。STM32F407 具有如下特性： （1）具有 ARM32 位 CortexM4 內(nèi)核，具有 ART 加速器，允許從 Flash 以 0等待時間執(zhí)行代碼。 STM32F407 系列芯片是高性能的 ARM Cortex M4 內(nèi)核 CPU。同時，由于需要對各種傳感器的信息進行校正與濾波，因此要求主控芯片具 有較強的數(shù)字 信號處理能力 ，要求它能夠 較快速地進行 浮點數(shù)20 22哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 運算。 飛行控制硬件設(shè)計 飛行控制電路主要實現(xiàn)的功能有：讀取傳感器 信息；對傳感器信息進行校正、補償、濾波進而獲取可用的信息，接收 Xbee 通訊模塊的信息，計算控制量并將控制量發(fā)送給電機調(diào)速器。 圖 35 px4flow 光流傳感器 圖 36 光流傳感器內(nèi)部框圖 2GPS 傳感器采用了 Fastrax 公司的 UP501 模塊。能夠在室外獲取 250Hz 的更新速率，在室內(nèi)達到 120Hz 的更新速率。但是這種鼠標(biāo)傳感器需要外部光源的支持，這與低功耗與高地面距離的需求背離，因此，在該應(yīng)用中采用了基于 CMOS 的圖像傳感器作為光流傳感器。特別對于六旋翼無人機這種無阻尼的系統(tǒng)，需要高頻的位置信息來實現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制。采用串口通訊。 超聲波傳感器通過自身發(fā)出超聲波并檢測回波的方式，記錄反射時間來計算超聲波傳感器與反射面的距離。 圖 33 MS5611 氣壓計 圖 34 Maxsonar EZ4 超聲波傳感器 2MS5803 氣壓計通過測量氣壓的變化，獲取高度信息，其內(nèi)置 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率達到 10cm，且具有高達 1ms 的轉(zhuǎn)換速度，能夠滿足無人機這種高動態(tài)應(yīng)用場合，內(nèi)嵌溫度計，可以對氣壓進行溫度補償。 靜態(tài)精度(航向) 176。 角度重復(fù)誤差 176。優(yōu)異的測量精度能夠滿足姿態(tài)控制的要求。靜態(tài)精度優(yōu)于 176。MTI 被廣泛用于照相機、機器人、小型無人機、車輛等設(shè)備的控制與穩(wěn)定。其內(nèi)部內(nèi)嵌 DSP 對加速度計、陀螺儀、磁強計的輸出進行補償，其補償項包括標(biāo)度因數(shù)誤差補償、零輸入偏置補償、溫度補償。 姿態(tài)傳感器 姿態(tài)傳感器采用荷蘭 Xsense 公司的 MTI 傳感器，如圖 32 所示。 18 傳感器系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 動態(tài)精度 2176。由于 外轉(zhuǎn)子無刷電 機不存在機械電刷，電機 調(diào)速器還需要根 據(jù)位置反饋對 電機進行換相從 而實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運行，并且達到較高動態(tài)響應(yīng)。主 控制 器 通過 向電 機 調(diào)速 器發(fā) 送PWM 信號對電機進行調(diào)速。主控制器通過綜合所有上述傳感器的信息，得到姿態(tài)、位置、速度信息，并通過這些反饋對無人機進行控制，實現(xiàn)整個無人機控制系統(tǒng)。然后地面站可以對圖像進行處理，進一步獲取圖像中目標(biāo)位置的運動情況，通過 Xbee 無線鏈路發(fā)送跟蹤指令。第三條無線鏈路專門用來傳輸圖像信息，機載攝像頭裝載在云臺上，主控制器可以通過 PWM通路向云臺控制 器發(fā)送指令， 云臺控制器通過 裝載在云臺平臺 上的慣性測 姿模塊調(diào)整云臺平臺到特 定姿態(tài)，既 能夠隔離機體的 運動對圖像造 成的不穩(wěn)定又 可以控制相機的朝向。第一條無線鏈路為 Xbee 無線通訊鏈路，可以通過控制手柄將控制信息通過 USB 接口傳送給計算機，然后在計算機上進行指令的分析，綜合地面站軟件的各種指令信息，通過 Xbee 無線通訊模塊將信息上傳至機上，機載主控制器通過機載 Xbee 無線通訊模塊接收信息，然后對信息進行解包執(zhí)行。機載部分主要負(fù)責(zé)機體運動信息的獲取、綜合，通過多種傳感器實現(xiàn)對機體姿態(tài)、運動速度、運動位置的控制。 總體方案 六旋翼無人機控制系統(tǒng)的總體方案如圖 31 所示 機載 部分MTI姿態(tài) 模塊三軸MEMS陀螺儀三軸MEMS加速度計三軸磁阻傳感器DSPUARTPWM主處理器PWMPWMPWMPWMPWMPWM電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機調(diào)速器電機1電機2電機3電機4電機5電機6控制手柄Xbee通訊模塊遙控器圖像傳輸系統(tǒng)接收機計算機云臺控制器Xbee通訊模塊無線接收機圖像傳輸系統(tǒng)發(fā)射機攝像頭UARTPWMAVSTM32f407UARTUARTI2CUARTI2C光流傳感器GPS氣壓計超聲測距E2PROM地面 站圖 31 控制系統(tǒng)硬件總體方案 該控制系統(tǒng)總體分為兩大部分，地面站與機載部分。 16 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第3章 六旋翼無人機硬件設(shè)計 六旋翼無人機與固定翼飛機不同，屬于靜不穩(wěn)定飛行器，需要持續(xù)的姿態(tài)保持。然后，通過對該六旋翼無人機用途的分析，得到對于機體與動力系統(tǒng)的要求，根據(jù)要求，對機體以及動力系統(tǒng)進行了設(shè)計與選型，搭建了機體結(jié)構(gòu)。而電機轉(zhuǎn)速 Wi 與拉力 Fi 之間滿足如下關(guān)系： Fi = EWi (224) 其中，E 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以通過實際的電機測試得到。kG(s) = (223) 2根據(jù)空氣動力學(xué)可知螺旋槳所產(chǎn)生的拉力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而電機調(diào)速器是以轉(zhuǎn)速為被控 制量，控制系 統(tǒng)發(fā)給電機調(diào)速 器的控制量首 先經(jīng)過電機的 模型轉(zhuǎn)化為速度信號，然后經(jīng)過一個非線性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為最終的升力。(sin x3sin x5cos x1 cos x5sin x1) 180。247。107x102247。231。231。247。231。231。 + cos xcos x 180。247。247。247。247。247。x哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） x2 x6 + f x4 + x4 x6 x2 + 64x82246。231。231。231。231。231。在該運動方程中，存在諸如 Jx, Jy, Jz, C 等參數(shù)，由于在設(shè)計過程中，機上負(fù)載6 2 4 22 2 4 2會發(fā)生變化，各個部件安裝的位置也會發(fā)生變化，因此，在此處僅取一些參考值即可。(221) 232。247。1u (sin x sin xcos xx12 cos x sin x ) 1Dx2247。231。231。mu1(sin x3cos x5cos x1+ sin x5sin x1) mDxx10247。231。247。1m13x101mz812247。231。231。231。247。247。(Jx JJzy6) x2 x4x8+CJ zu4247。231。231。x = f (x, u ) =231。JyxJyJy247。231。247。231。231。231。247。x2+jrufx4+lu2246。J Jy z( ) x x則狀態(tài)方程可以綜合寫為式(221)。x7= f, x = f, x = q , x = q , x = y , x哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 3 4 5 6= z, x8 = z, x9 = x, x10 = x, x11 = y, x12=y= y(220) 230。 x1237。239。在六旋翼無人機的運動方程中，取 238。q = q cos f + r sin f (216) 238。J Jx y239。j lrp = ( )qr + u q + uf 2J J Jx x x239。239。3u = (F + F F F )239。239。239。239。r = (xJzy) pq +Jz( F1 F2+ F3 F4+ F5 F6)(215) 236。q = (JJz JJ y Jx) pr jrJ yC(w1+ w2 w3+ w4 w5+ w6) p +lJy[ F1 + F212( F3+ F4+ F5+ F6 )] 239。237。Jx)qr +Jx(w1+ w2 w3+ w4 w5+ w6 )q +Jx.2( F3 + F4 F5 F6 )239。239。由式(27)得到進一步公式有 dt代入求解可得轉(zhuǎn)動方程如下： 13 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 236。綜上所述，作用在無人機上的外部力矩如下（表示在機體坐標(biāo)系）： 235。由于在旋翼正常工作時，只存在機體系中 z 軸上的動量矩，則動量矩 H 可以表示為： 235。 W180。 接著，再來考慮旋翼高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的陀螺力矩。 首先來看旋翼升力所產(chǎn)生的作用力矩。 JW = M (214) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 下面對作用于 機身的外力矩 進行分別求解 ，作用在機身 上的外力矩主 要包含三個來源：旋翼升力所產(chǎn)生的力矩、旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的反力矩、高速轉(zhuǎn)動旋翼所產(chǎn)生的陀螺力矩、機身自身轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的陀螺力矩。 M = W180。234。233。234。H = 0 (212) 234。(27) 為六旋翼無人機1M = l[F + F (F + F + F + F )] (28) 3M = l( F + F F F ) (29) (210) 0234。JxJyJ249。234。 12 233。(22) (23) (24) (25) (26) 其中， Dx、 Dy、 Dz為三個方向上的空氣阻尼效果系數(shù)， m 機體質(zhì)量 d(JW) = MT以上為平動方程，接下來推導(dǎo)轉(zhuǎn)動方程。 238。 235。 進行坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化到地面坐標(biāo)系可得 235。 i =1 0 249。2y = (