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畢業(yè)設(shè)計論文四旋翼飛行器pid控制器的設(shè)計-文庫吧資料

2025-02-12 05:49本頁面
  

【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 口進行 SPI 模擬, B、直接使用 SPI 模塊進行編程。 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,下位機將四旋翼飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù),電機動作量,遙控器數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送至上位機。 下位機程序模塊 本章將詳細介紹下位機的任務(wù),模塊功能及實現(xiàn)方法。因為上位機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時的 內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)。 遙控,電機 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??梢詫崟r顯示飛行器的 3D 狀態(tài),實時顯示出 3 個姿態(tài)角,加速度計 3 軸數(shù)據(jù),陀螺儀 3 軸數(shù)據(jù),地磁計 3 軸數(shù)據(jù)。波形可以放大可以縮小,可以保存至 PC 機。 ( 3) 波形顯示。可以將下位機發(fā)送至上位機的每幀數(shù)據(jù)顯示出來,可以分別顯示數(shù)據(jù)校驗位,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)校驗功能,具備兩種收發(fā)碼格式: CHR、 HEX。本設(shè)計中使用的上位機版本較低,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,在檢驗飛行器安裝正確與否的同時也可以檢驗自己 PID 程序中 ROLL, PITCH, YAW 輸出量的符號問題。 將飛行器安裝好之后,需要檢驗是否安裝正確,檢驗方法為:在有保護措施的情況下打開電機,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)。 電機的安裝要注意,每個電機都與機架所在的水平面呈 90 度角。 MPU5060 NRF24L01 電調(diào) 電機 電調(diào) 電機 電調(diào) 電機 電池 5V 穩(wěn)壓電路 STM32F103C8T6 電調(diào) 電機 STM32F103C8T6 NRF24L01 遙控器 接收機 NRF24L01 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 15 安裝事項 安裝四旋翼 飛行器要注意以下事項: 由于,四旋翼飛行器螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來,產(chǎn)生的力矩很大,機體旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生非常大的離心力,如果機架沒有安裝好,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。一旦實現(xiàn)對碼之后,以后的使用將無需進行對碼,只要雙方都接通了電源,遙控器會自動與接收機對接。工作電流 30mA。 圖 318 天地飛 7 遙控器 天地飛 7 無線接收機 天地飛 7 無線接收機是配套天地飛 7 遙控器一起使用的。詳細的設(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)置菜單中進行設(shè)置的。本設(shè)計中采用美國手,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)計并制造的專用航模湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 遙控器,可用在固定翼、直升機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。因為寄存器的操作具體 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(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)計采用 STM32 系列的增強型 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(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。所謂舵機信號就是指頻率為 50Hz,高電平為 12ms 的 PWM 信號。 新西達 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極,白色線用于接收無線接收機的 PWM 信號。因為無刷電機運行起來之后,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,輸出到無刷電機可以直接驅(qū)動。 因為輸入的是直流電,而無刷電機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。而無刷電機無電刷,低干擾,噪音低,運轉(zhuǎn)順暢,效率高,可達到 80%以上,壽命長,基本不需要維護。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(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 機架 風(fēng)火輪 450 機架是深圳市大疆創(chuàng)新科技公司設(shè)計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,飛行器是實現(xiàn) Pitch 運動。此時,飛行器要實現(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 中機體坐標繞 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,飛行器可實現(xiàn)橫滾運動,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 ,實現(xiàn)飛行器姿態(tài)水平,如果增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速,可實現(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)知識有詳細認知,為后續(xù)同學(xué)打好基礎(chǔ)。 本設(shè)計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??捎糜谧匀粸?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這三個問題的解決,是得人類對于復(fù)雜環(huán)境下的運動控制更進一步。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確的動力學(xué)模型。 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(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)歐拉角進行控制,圓點博士小四軸主要是對姿態(tài)四元數(shù)進行控制,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)實現(xiàn)的四旋翼飛行器群可以分別演奏一種樂器,并可以實現(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)出一種基于機載與地面雙攝像頭的視覺定位與定姿系統(tǒng),進一步提高了測量精度。地面攝像頭會實時跟蹤并飛行器底部標記的位置與面積,從而計算 出飛行器 的 3 個姿態(tài)角和位置。最終在室內(nèi)實現(xiàn)了 OS4II 基于慣性導(dǎo)行系統(tǒng)的自主懸停。機載 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動,便于調(diào)試。 OS4 是 EPFL 自動化系統(tǒng)實驗室開發(fā)的一種電動小型四旋翼飛行器,研究的重點是機構(gòu)設(shè)計和自主導(dǎo)航算法,目標是實現(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)
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