【正文】 器自身的 SPI 模塊還是相對好用一些，我們只需要對其特定寄存器進(jìn)行配置就可以完成通信，使得代碼量大大減少。 A 方法的好處是不用局限于特定的 GPIO 口，但缺點(diǎn)是可能通信的質(zhì)量不如 SPI 模塊。所以我們的 SPI 程序就有兩種選擇，即： A、使用GPIO 口進(jìn)行 SPI 模擬， B、直接使用 SPI 模塊進(jìn)行編程。 NRF24L01 無線通信 NRF24L01 無線模塊與主控器之間通過 SPI 協(xié)議進(jìn)行通信。more)。sensor_timestamp， amp。 mpu_set_dmp_state(1)。自檢程序可以消除 MPU 測得數(shù)據(jù)的漂移。設(shè)置 FIFO 通道的頻率 run_self_test()。 dmp_enable_feature()。 dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation))。這個函數(shù)非常重要，它的作用是使能DMP 寄存器的。設(shè)置 MPU 采樣頻率。設(shè) 置 加速度傳感器和陀螺儀 的最大量程 mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL)。 對于 DMP 寄存器的操作，主要是用到了以下操作函數(shù)： mpu_init()。所有對 DMP 寄存器的操作都必須通過這個庫才能打開 DMP 引擎，進(jìn)行加速度傳感器和陀螺儀數(shù)據(jù)的濾波，融合，輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)。該操作庫下包含了 DMP 操作的源文件。同時，下位機(jī)將四旋翼飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，電機(jī)動作量，遙控器數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機(jī)。 下位機(jī)程序模塊 本章將詳細(xì)介紹下位機(jī)的任務(wù)，模塊功能及實(shí)現(xiàn)方法。因?yàn)樯衔粰C(jī)的功能就是提供一個四旋翼飛行器與人交互的平臺，使人可以看到飛行器實(shí)時的 內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)。 遙控，電機(jī) pwm，電壓顯示對應(yīng)的幀 FUN為 0xAE，幀格式為：0x88+0xAE+0x12+THROT YAW ROLL PITCH +AUX1 2 3 4 5 + PWM： 1 2 3 4 + VOTAGE + SUM，共 28字節(jié)。 FUN表示下位機(jī)的功能幀頭。 FUN可以是 0xA1到 0xAA，共 10個； LEN為 DATA的長度。這對整定 PID 控制器的參數(shù)有很大的幫助，使得參數(shù)調(diào)節(jié)方便高效。 （ 5） 飛控設(shè)置?？梢詫?shí)時顯示飛行器的 3D 狀態(tài)，實(shí)時顯示出 3 個姿態(tài)角，加速度計(jì) 3 軸數(shù)據(jù)，陀螺儀 3 軸數(shù)據(jù)，地磁計(jì) 3 軸數(shù)據(jù)。波形可以放大可以縮小，可以保存至 PC 機(jī)。 （ 3） 波形顯示?？梢詫⑾挛粰C(jī)發(fā)送至上位機(jī)的每幀數(shù)據(jù)顯示出來，可以分別顯示數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)和功能幀?？梢援?dāng)做普通的串口收發(fā)數(shù)據(jù)，可以選擇串口，選擇波特率范圍 1200500000，有數(shù)據(jù)校驗(yàn)功能，具備兩種收發(fā)碼格式： CHR、 HEX。本設(shè)計(jì)中使用的上位機(jī)版本較低，但是功能方面已經(jīng)足夠使用。 建議最好是把自己的飛控程序下載到主控器，在檢驗(yàn)飛行器安裝正確與否的同時也可以檢驗(yàn)自己 PID 程序中 ROLL， PITCH， YAW 輸出量的符號問題。 將飛行器安裝好之后，需要檢驗(yàn)是否安裝正確，檢驗(yàn)方法為：在有保護(hù)措施的情況下打開電機(jī)，遙控油門不要推太大，來檢查飛行器的螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，是否正確。 由于調(diào)試需要，要將主控器安裝在可以拆卸，容易插拔線的地方。同時，四個螺旋槳的翼面也要在一個平面內(nèi)。 電機(jī)的安裝要注意，每個電機(jī)都與機(jī)架所在的水平面呈 90 度角。 MPU5060 NRF24L01 電調(diào) 電機(jī) 電調(diào) 電機(jī) 電調(diào) 電機(jī) 電池 5V 穩(wěn)壓電路 STM32F103C8T6 電調(diào) 電機(jī) STM32F103C8T6 NRF24L01 遙控器 接收機(jī) NRF24L01 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 安裝事項(xiàng) 安裝四旋翼 飛行器要注意以下事項(xiàng)： 由于，四旋翼飛行器螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來，產(chǎn)生的力矩很大，機(jī)體旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生非常大的離心力，如果機(jī)架沒有安裝好，就會在離心力的作用下散架，發(fā)生螺旋槳打到人的危險(xiǎn)事故。 X 模式的四旋翼飛行器的慣性器件安裝位置是把＋模式的慣性器件順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn) 45176。 X 模式與＋模式在硬件安裝和軟件設(shè)計(jì)編寫都有區(qū)別。 這樣可以解決電調(diào) BEC 供電使電調(diào)發(fā)熱的問題 采用常規(guī) 5V 穩(wěn)壓電路即可，對電池輸出電壓濾波，穩(wěn)壓，然后輸出即可。一旦實(shí)現(xiàn)對碼之后，以后的使用將無需進(jìn)行對碼，只要雙方都接通了電源，遙控器會自動與接收機(jī)對接。工作電流 30mA。 圖 318 天地飛 7 遙控器 天地飛 7 無線接收機(jī) 天地飛 7 無線接收機(jī)是配套天地飛 7 遙控器一起使用的。詳細(xì)的設(shè)置說明可以參考《 WFT07 中文說明書 》 遙控器油門是控制四旋翼飛行器的螺旋槳轉(zhuǎn)速，油門大，則無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，螺旋槳轉(zhuǎn)速加快。這 種模式 是可以通過遙控設(shè)置菜單中進(jìn)行設(shè)置的。本設(shè)計(jì)中采用美國手，即左邊搖桿上下圍油門，左右為方向舵。 航模遙控器分美國手和日本手兩種，區(qū)分這兩種遙控器的依據(jù)是遙控器油門在左邊還是右邊。該遙控器采用原生 技術(shù)，采用總線數(shù)據(jù)傳輸，極大提升了操控敏捷度。 本設(shè)計(jì)使用天地飛 7，如下圖。 圖 mpu6050 天地飛 7 遙控器 天地飛遙控器是深圳天地飛科技開發(fā)有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)并制造的專用航模湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 遙控器，可用在固定翼、直升機(jī)及多旋翼等飛行器上。很多網(wǎng)友對 DMP 寄存器的評價也非常高。 DMP 寄存器有專門配置的操作文件庫，最初是針對 MSP430單片機(jī)寫的，用戶可以在此基礎(chǔ)上稍加修改，便可以移植到 STM32 上來，這樣讀出姿態(tài)數(shù) 據(jù)經(jīng)過本人測試，非常準(zhǔn)確。 MPU6050 可支持的電源范圍可以是 、 也可以到 。 MPU6050 與所有設(shè)備寄存器之間的通信采用 I2C 接口。8 ，177。2 ， 177。2021176。500， 177。 MPU6050 的陀螺儀和加速度傳感器的測量范圍都是可以編程的，陀螺儀的量程有 177。預(yù)留出了 XDA， XCL兩個管腳，可以擴(kuò)展其他的 IIC 設(shè)備，比如電子羅盤。 圖 主控 stm32f103c8t6 慣性器件 MPU6050 MPU6050 是美國 InvenSense 公司研發(fā)的全球首例 9 軸運(yùn)動處理傳感器。 STLink 是意法半導(dǎo)體為 STM8 和 STM32 系列專門設(shè)計(jì)制造的，其易于安裝，使用方便。 這兩種方法各有所長，依個人喜好和能力選擇。因?yàn)榧拇嫫鞯牟僮骶唧w 到了寄存器的每一位配置。 作為初學(xué)者，建議使用庫函數(shù)操作法，其操作一目了然，如同閱讀一篇英文文章一樣，簡單易懂，省去了查詢寄存器的繁瑣工作。 意法半導(dǎo)體公司為所有 STM32 系列的控制器撰寫了完整的固件庫，目前已經(jīng)更新到 版本。 96 位芯 片唯一代碼。 芯片內(nèi)置了一個溫度傳感器。 2 個 I2C 接口， 2 個 SPI 接口， 3 個 USART 接口， 1 個 CAN 接口， 1 個湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 全速接口。 7 通道 DMA 控制器，支持定時器、 ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等外設(shè)。 最高主頻達(dá)到 72MHz 具有時鐘、復(fù)位、電源管理、低功耗功能。其具有非常豐富的內(nèi)部資源。本設(shè)計(jì)采用 STM32 系列的增強(qiáng)型 F103 系列。所以，如果 飛行器自身過重就會飛不起來，所以電池的容量要選擇合適。 隨著 電池容量 的增加 ，電池的質(zhì)量 就會增加 。 C 是普通鋰電池與動力鋰電池的最大不同，動力鋰電池的容量與 C 值的乘積即為鋰電池的最大放電強(qiáng)度。 電池參數(shù)解釋： 2200 mAh 表示電池的容量，如果電池以 2200mA 放電的話可以放電一小時。 正反槳參數(shù)解釋： 1045 是指槳的直徑為 10 英寸（ 1 英寸 =254mm），槳的角度是 45176。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 XXD30A 電子調(diào)速器 1045 正反漿 為了抵消螺旋槳的自旋，需要正反槳使得相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向不同，正反槳的風(fēng)都是向下吹，順時針旋轉(zhuǎn)的槳為正槳，逆時針旋轉(zhuǎn)的槳為反槳。所謂舵機(jī)信號就是指頻率為 50Hz，高電平為 12ms 的 PWM 信號。 新西達(dá) 30A 電子調(diào)速器參數(shù)解釋： 30A 是指其最大能夠提供的電流不能超過 30A。紅色和黑色線分別接入到電源正負(fù)極，白色線用于接收無線接收機(jī)的 PWM 信號。因?yàn)闊o刷電機(jī)運(yùn)行起來之后，其需要很大的電流，這個電流是微控制器無法承受的，而電子調(diào)速器的作用就是將 控制信號轉(zhuǎn)化為控制所需的三相電流，輸出到無刷電機(jī)可以直接驅(qū)動。 因?yàn)檩斎氲氖侵绷麟?，而無刷電機(jī)需要三相交流電才能驅(qū)動，所以，無刷電子調(diào)速器對無刷電機(jī)的使用至關(guān)重要。 kv 值是指外加 1v 電壓對應(yīng)的每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。航模無疑是一個理想平臺。而無刷電機(jī)無電刷，低干擾，噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，效率高，可達(dá)到 80%以上，壽命長，基本不需要維護(hù)。其自身重量非常輕便，加上螺旋槳大約在 285g 左右。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第三章 四旋翼飛行器 常用 部件及安裝 四旋翼飛行器部件介紹 風(fēng)火輪 450 機(jī)架 風(fēng)火輪 450 機(jī)架是深圳市大疆創(chuàng)新科技公司設(shè)計(jì)的多旋翼飛行器套裝。當(dāng) 2 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器是實(shí)現(xiàn) Pitch 運(yùn)動。此時，飛行器要實(shí)現(xiàn)飛行動作就要靠螺旋槳兩兩協(xié)調(diào)完成。在 X 模式下，飛行器的四個螺旋槳都要參與到飛行動作的調(diào)節(jié)中，將圖 1 中機(jī)體坐標(biāo)繞 Z 軸順時針旋轉(zhuǎn) 45176。由此，可以想像飛行器在不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下的飛行動作。當(dāng) 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 2 號螺旋槳轉(zhuǎn)速增加， 4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，飛行器可實(shí)現(xiàn)橫滾運(yùn)動，即飛行器向左飛。當(dāng)四個螺旋槳轉(zhuǎn)速相同時，螺旋槳間的扭力矩相互抵消 ，實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)水平，如果增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)飛行器上升，下降等動作。 在＋模式下， A 組螺旋槳與 B 組螺旋槳基本沒有關(guān)系。 Pitch 角為俯仰角，如圖，機(jī)體繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與水平面的夾角，為俯仰角，角度正負(fù)與慣性器件安裝有關(guān)。 Roll 角為橫滾角，如圖，設(shè)螺旋槳 1 為飛行器機(jī)頭。 首先，以＋模式介紹飛行器的姿態(tài) 角： Roll， Pitch， Yaw。 四旋翼飛行器可分為兩種模式，即＋模式和Ｘ模式。 四旋翼飛行器集成了慣性導(dǎo)航技術(shù)、軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)、自動控制技術(shù)、是一個多學(xué)科的綜合平臺，也是提高能力的平臺。第二，對四旋翼飛行器的飛行原理和基礎(chǔ)知識有詳細(xì)認(rèn)知，為后續(xù)同學(xué)打好基礎(chǔ)。 本設(shè)計(jì)做的飛行器就從小方面來講，可以為我院的同學(xué)做一個引子。還可用于各類勘探工作等。可用于自然災(zāi)害之后的救援、搜索。 四旋翼飛行器所 具備的優(yōu)越性能，應(yīng)用前景十分廣闊。毋庸置疑，對此飛行器的研究將會推進(jìn)這三個問題的解決，是得人類對于復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動控制更進(jìn)一步。其次，現(xiàn)代控制理論的控制器都要基于對被控對象的精確建模上，如果建模不準(zhǔn)確，控制器的性能就會不理想。 首先，對四旋翼飛行器很難建立準(zhǔn)確的動力學(xué)模型。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 國內(nèi)有很多針對多旋翼飛行器的技術(shù)論壇，也有很多技術(shù)論壇專門開設(shè)了四旋翼飛行器討論版塊，匯聚了眾多四旋翼 飛行器的愛好者，提供了飛行器技術(shù)學(xué)習(xí)和提升的平臺。匿名四軸的控制方法主要是對姿態(tài)歐拉角進(jìn)行控制，圓點(diǎn)博士小四軸主要是對姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行控制，控制效果都很好。此外，大疆還推出了 專門針對模型和玩具市場的 WooKongH 遙控直升機(jī)飛控系統(tǒng)， Naza 系列飛控系統(tǒng)， Flame Wheel 風(fēng)火輪系列輕型多軸飛行器等產(chǎn)品。是全球領(lǐng)先的無人飛行器控制系統(tǒng)及無人機(jī)解決方案的研發(fā)和生產(chǎn)商。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等都有對此項(xiàng)目有很大的研發(fā)投 入并獲取了一定研究成果。部分國外研發(fā)的飛控算法及制作的飛控板很多都已經(jīng)進(jìn)入我國并受到航模愛好者青睞，比如 MWC 飛控、 KK 飛控，MK 飛控，因其開源，使用得較多。比如賓法尼亞大學(xué)實(shí)現(xiàn)的四旋翼飛行器群可以分別演奏一種樂器，并可以實(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)調(diào)，完成一首交響樂的演奏。 賓 夕 法尼亞大學(xué)的四旋翼飛行器研究已經(jīng)從對單個飛行器的控制上升到對多個飛行器的控制。之后 HMX4 的研究人員又研發(fā)出一種基于機(jī)載與地面雙攝像頭的視覺定位與定姿系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了測量精度。地面攝像頭會實(shí)時跟蹤并飛行器底部標(biāo)記的位置與面積，從而計(jì)算 出飛行器 的 3 個姿態(tài)角和位置。最終在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 OS4II 基于慣性導(dǎo)行系統(tǒng)的自主懸停。機(jī)載 230g 的鋰電池，可以自主飛行 30min。 OS4 已經(jīng)基于PID、 LQ、 Backstepping 及 Slidingmode 等多種控制算法實(shí)現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制。通過萬向節(jié)將飛行器固定在飛行測試平臺上，使其在三個方向都可以靈活運(yùn)動，便于調(diào)試。 OS4 是 EPFL 自動化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種電動小型四旋翼飛行器，研究的重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和自主導(dǎo)航算法，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外完全自主飛行。很多行業(yè)如軍事打擊、公安追捕、災(zāi)害搜救、農(nóng)林業(yè)調(diào)查、輸電線巡查、航拍等都成為四旋翼飛行器體現(xiàn)其優(yōu)越性的平臺。而四旋翼飛行器結(jié)