【正文】 巧等于最大速度的1/2），按文獻 【 2】 的分析這個力大小為： 因為我們需要的是轉速和力的關系，所以配合乘上一個調和常數(shù) TC 引入目標 式，式子變?yōu)椋? 這就是升力的和轉速的關系式。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動加速進入槳盤，這個過程中，氣流開始匯聚，經過槳盤后由于排壓作用繼續(xù)加速和匯聚直到槳盤下方大約二分之一槳盤半徑的位置 被壓縮至最小節(jié)流面積，達到速度最大值。在這個過程中除了推動了氣流外還聚攏了上部氣流。 升力和扭矩關系 簡要分析：升力按分析可知，在研究中只 能先在軸流狀態(tài)分析再加入斜流的影響，所以拆分狀態(tài)，首先僅在軸流狀態(tài)下研究升力的作用關系。隨之就帶來另外兩個不可忽略的力作用：阻力和側向力矩。但在實際情況中，不可能處于理想的無其他氣流影響的狀態(tài)，也就是處于斜流狀態(tài)。首先使用動量理論分析誘導速度和力直接的關系，而誘導速度是升力、扭矩、阻力、側向力矩四個力的共同作用結果，但本文敘述時，首先給出了最終分析結果的式子，這個式子是我們的目標式，目標式的建立依據(jù)一是實驗下確定了力與轉速的平方確實存在正比關系但具體系數(shù)未知，二是這個式子和按動量分析下用誘導速度的平方建立的式子十分將近， 所以借用調和系數(shù)整理給出假設式，再用葉素理論建立另一個轉速和力的關系式反算給出調和系數(shù)的表達式。 力或力矩與螺旋槳的關系 螺旋槳模型的分析屬于空氣動力學模型，要求方法有動量理論、葉素理論、渦流理論等。在分析時，首先建立出力和螺旋槳轉速的關系，并集總分析施加在飛行器上的力的方向等。 在本設計中，想建立四軸飛行器的模型結構，獲得在一定范圍下的線性模型，既而討論算法。 四軸飛行器模型建立辦法 四軸飛行器的飛行動力，來源于螺旋槳的旋轉所帶來的空氣流動，受其反 作用的影響產生上升的力（這個力的分析詳參文獻 【 2】 ）。 而前進、后退、側飛三個動作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行器傾斜，在傾斜時，飛行器受重力作用分解出水可定方向的四軸飛行器設計 14 平方向的加速度，形成前進、后退、側飛兩個動作。讓其中一組正轉產生升力，另一組反轉產生升力，這樣就用一組去抵消另一組旋翼的扭矩，保持不會自身旋轉。扭矩的作用使得飛行器有了繞中心旋轉的加速度，也就是在 Z軸方向的一個自由度。當四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時，飛行器加 速上升同理可以完全懸停和下降。 圖 用串口調試程序在 PC上接收的傳感數(shù)據(jù) 2020 屆電氣工程與自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 13 第 4章 飛行器模型分析 概述 飛行器飛行原理 四旋翼飛行器，由十字型機架和四組旋槳電機組合構成。這和 MPU6050 并不相同，后者只輸出三軸方向上的偏移角度，再開機時自動校準了水平位置，把地磁數(shù)據(jù)做成GPS輸出。用串口調試程序獲得的數(shù)據(jù)如圖 所示。 利用傳感器的 AVR串口直接輸出數(shù)據(jù)，用 YPR=的 ASCⅡ碼作為開始標志位，以逗號的 ASCⅡ碼為分隔幀。但價格昂貴，筆者在做比賽時使用過，非常好用 ，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒有噪聲，筆者在此推薦。 本章小結 可定方向的四軸飛行器設計 12 本章主要介紹了在四軸飛行器中所用的傳感器的大概原理和傳感器的選擇。或者說，沿外加電場方向運動的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。磁阻效應：載流子的運動必須要求有電動勢也就是導體內的電場力作用才能移動，當存在磁場時，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉（類似霍爾效應），在達到穩(wěn)態(tài)時，某 — 速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏 轉。 對于地磁傳感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效應、霍爾效應、電磁感應、 AMR 相異性磁力阻抗感應、巨磁效應（本文不再逐一介紹）。 如果許多智能產品，最典型的如智能手機，在有房屋遮擋位置，也就是不能搜星的位置也能精確定位坐標的原理就是采用九軸的數(shù)據(jù)融合技術。 三軸磁場傳感器 傳感器原理 既然是九軸數(shù)據(jù)融合，除了三軸加速度計、三軸陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場傳感器。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式設計制造的芯片，輸出采用標準 IIC 總線協(xié)議，由 SCL 和 SDA 引腳傳遞數(shù)據(jù)。通過測量容值變化就可以分析出科里奧利力的大小，這個力的大小和角速度成正比關系，就可以按如上公式計算出角速度而且線性度極好。 實際陀螺儀的測量原理就是利用科里奧利效應設計的，這個在上文假設的轉盤就是被測的剛體，其沿自轉軸旋轉。他提出的模型效應是：正如我們所見，在一個旋轉盤上不同半徑位置的線速度不同，當物體從盤心沿徑向向外運動時起對地線 速度在增加，根據(jù)牛頓第一定律，沒有外力的作用速度就不會發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應該存在一個這樣的力的作用，這就是他提出的假象力。但在實際應用中不可能讓一個轉子保持在每秒幾萬轉的飛速旋轉條件下，所以實際的陀螺儀并不是真的有轉子在其中，而是利用科里奧利原理設計出來的。 在應用中，我們只要檢查設置好的旋轉軸的指向就能知道我們自身有沒有發(fā)生偏轉，而這個偏轉角也能由其旋轉軸指向給出。由于ω很大，這種抖動實際上是不易察覺的，所以可認為沖擊并未明顯改變轉子軸的方向，即高速自轉均衡陀螺儀的轉子軸具有抗沖擊的能力，這種特性稱為定軸性。沖擊還使轉子軸的方向產生同一數(shù)量級的改變，但新的角速度方向已和新的動量矩方向不一致。陀螺儀的依據(jù)就是陀螺原理：一個高速旋轉物體的旋轉軸具有慣性，它的旋轉軸永遠指向一個方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉時 可以永遠指向地面保持垂直。 圖 ADXL345數(shù)據(jù)格式 可定方向的四軸飛行器設計 10 如果讓兩者配合，就能實現(xiàn)反應靈敏又純凈的輸出信號。在四旋翼這個高度不穩(wěn)定的機械系統(tǒng)中，電機轉速的一點點不平衡都會引起傾斜和繞 Z 軸轉動。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過加速度計積分一次就可以得到。 三軸陀螺儀 概述 陀螺儀也是對于飛行器的旋轉的位置測量的傳感器，很人有這樣的疑問，為什么加入了加速度計之后還要加入三軸陀螺儀。設置好后，在每一次芯片內部數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新時給中斷信號，表 示數(shù)據(jù)轉換結束，主機可讀取數(shù)據(jù)信息。給 2DH 寄存器（ POWER_CTL）寫入數(shù)據(jù) 08H，表示開始數(shù)據(jù)轉換。連接方式如圖 ，按此接法，其硬件物理地址為 53H，和標準 IIC 總線通 信協(xié)議相同。芯片采用 14 引腳封裝，具體引腳安排和基本工作外部接線圖可從網上搜索，本文不贅述。從設計上講，最大的特點圖 ADXL345 I2C總線接線圖 2020 屆電氣工程與自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 9 就是有 32 級 FIFO 緩存，存儲了就近時間內 32組三軸加速度數(shù)據(jù)。它能以SPI或 IIC 總線方式輸出數(shù)據(jù)。 ADXL345 ADXL345 是 由 ADI 公司推出的集成加速度傳感器。其基本工作原理和閉環(huán)液浮擺式不同在于，并不增加執(zhí)行機構抵消外部慣性力，而是直接由外部慣性力帶動差動電容引起差模輸出的方式。 差分電容由獨立固定板和活動質量連接板組成，能對結構偏轉進行測量。該傳感器為多晶硅表面微加工結構，置于晶圓頂部。 擺式積分陀螺原理就是和陀螺儀的原理一樣，在受到外部接連物的旋轉變化時，自己跟隨轉動，制作加速度計時讓轉子固定不動，形成擺，其他設計原理與閉環(huán)液浮擺式一樣。繼而只要在外部接入頻率計，就可以知道此時的加速度。將執(zhí)行設備的電壓作為等效電壓并輸出即可。從原理上將，它是可定方向的四軸飛行器設計 8 將原設立原理：彈性形變量的改變引發(fā)電氣信號而輸出的道理改變?yōu)橛瞄]環(huán) 結構讓一個設計的的執(zhí)行器抵消外部力矩，用起給電電壓作為等效輸出信號。 對于閉環(huán)液浮擺式來說，與傳統(tǒng)的加速度測量原理比較，首先它是感知對應軸的旋轉信息，其次它的信息輸出依據(jù)來源于閉環(huán)設計。 圖 DIY 四軸飛行器實物圖 2020 屆電氣工程與自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 7 第 3章 姿態(tài)傳感器介紹 三軸加速度計 傳感器原理 對于加速度的測量，傳統(tǒng)的方式是在傳感器內部放置一個質量已知且恒定的物體，用于感知慣性系統(tǒng)的加速度，其物體和某一直線方向的彈簧連接，當有該軸加速度產生時，物體施力于彈簧（彈簧和外殼連接，外殼和被測物直接連接固定），產生拉升或擠壓，記錄此時的彈性形變量就能知道外力再通過牛頓第二定律就能分析獲得當前的加速度。 在實際過程中，檢測高電平寬度，有效信號為 12ms的高電平長度。 電子調速器 電子調速器簡稱電調。所以采用直流電源輸出各相脈沖使其旋轉。 部分器件的作用介紹 無刷直流電機 電機是拖動螺旋槳旋轉產生動力的裝置。組成后的飛行器如下圖所示： 可定方向的四軸飛行器設計 6 注意：對角線上安裝的螺旋槳的形狀要一致。把電調固定在機架的四臂上后插上電機和電調連接的香蕉頭完成組裝整體。 首先將四個電調首先焊接到 F450 的機架上的焊盤上，同時焊接電池接線的母頭。 DIY 操作 DIY 四軸飛行器需要材料包括：兩組正反螺旋槳、四個直流無刷電機、四個匹配電機的電子調速器、機架、直流電池適配 器、電池和飛控（可自己制作）。這四軸飛行器（ Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。 飛控芯片作為本設計最主要的部分，主要功能是傳感姿 態(tài)、計算補償來控制可定方向的四軸飛行器設計 4 飛行器的穩(wěn)定。 機架用于支撐，無刷電機用于驅動螺旋槳旋轉產生力。調試之后得出三種不同算法的優(yōu)缺點以供參考。 控制算法擬采用雙 PID 環(huán)或 BP 神經元網絡或模糊算法。實施方案：利用空氣動力學建立螺旋槳轉速和拉升力之間的關系，在利用無刷電機模型和螺旋槳建立輸出波形和轉速的關系并最終得出 PWM 波和拉升力的直接對應關系。 研究方案 四旋翼的動力結果主要由電子調速器、直流無刷電機和螺旋槳構成。 獲得了相關信息后，除了飛行器高度控制用超聲波傳感器測量獲得外，還必須對于飛行器的目前姿態(tài)做測量組成閉環(huán)系統(tǒng)，而姿態(tài)測量的傳感器選擇使用陀螺儀，它以在不同傾斜狀態(tài)下對于四壁壓力的不同感知姿態(tài)信息，但是由于在飛行器上，有抖動，變化速度快，其輸出波形干擾嚴重，目前大多采用卡爾曼濾波的軟件濾波辦法濾波。 在此基礎上，再根據(jù)直流無刷電機的模型以及電調的分析獲得在一般狀態(tài)（螺旋槳旋轉只受空氣影響的狀態(tài)）下 PWM 波形和轉速的關系，也就是建立了占空比和各個受力的直接對應關系。 四旋翼機械模型主要是十字型機架和螺旋槳構成。而從目前看來，解決的辦法已經不是四旋翼本身，而是研究出帶電量大，體積小，重量輕的電池提供能源。但是比較四旋翼和固定翼的性能，不難發(fā)現(xiàn)，四旋翼非線性度高，抗干擾能力弱。高性能的微處理器再加上 MEMS 和對應控制算法解決了四旋翼的控制難題。 眾人皆知，四旋翼的機械結構簡單但由于只有四個輸出控制六個自由度，屬于典型的“欠驅動”系統(tǒng)，并且具有強耦 合、非線性、干擾敏感等，控制難度大。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展以及傳感器技術的應用，四軸飛行器開始走向小型化，智能化的過程。因此研究它的可定方向的四軸飛行器設計 2 價值顯而易見。為了滿足需要，使用無 人機進入此類地區(qū)航拍、成圖、預處理報警成為必然。 研究它并實現(xiàn)控制可以讓其幫助實現(xiàn)禁飛區(qū)巡邏等軍事任務，同時也可以用于搜救、安全任務檢查等工作。 本課題研究意義 四軸飛行器除了能做到和直升飛機一樣垂直起降外，因其由四個螺旋槳控制，所以還能實現(xiàn) 6 個自由度的不同姿態(tài)飛行。與固定翼飛行器相比，四軸飛行器機動性好，動作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多、飛行速度不快；而與單軸直升機比，四軸飛行器的機械簡單，無需尾槳抵消反力矩，成本低。因此，低空低成本遙感技術顯得相當重要，而四軸飛行器正符合低空低成本遙感平臺的要求。抽樣的方式工作量大，而且準確性 受主觀因素影響；而遙感的方式可以大范圍同時調查，時效性和準確性都有保證，但只能得到大型作物的宏觀的指標，而且成本很高。到今天，四軸飛行器已經應用到各個領域，如軍事打擊、公安追捕、災害搜救、農林業(yè)調查、輸電線巡查、廣告宣傳航拍、航模玩具等，已經成為重要的遙感平臺。 關鍵詞 ： MSP430，卡爾曼濾波，姿態(tài)結算，控制算法 可定方向的四軸飛行器設計 II ABSTRACT This year the attention has shifted from the model aircraft industry to a fixed shaft multirotor aircraft design. Multirotor aircraft and jets born almost at the same time, But in the past few hundred years has its sights reason is because of its control, Operat