【正文】 和轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。 螺旋槳將下部氣壓減少后，上部空氣被壓力推動(dòng)加速進(jìn)入槳盤，這個(gè)過(guò)程中，氣流開(kāi)始匯聚，經(jīng)過(guò)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(dá)到速度最大值。在這個(gè)過(guò)程中除了推動(dòng)了氣流外還聚攏了上部氣流。 升力和扭矩關(guān)系 簡(jiǎn)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(guān)系。隨之就帶來(lái)另外兩個(gè)不可忽略的力作用：阻力和側(cè)向力矩。但在實(shí)際情況中，不可能處于理想的無(wú)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(dòng)量理論分析誘導(dǎo)速度和力直接的關(guān)系，而誘導(dǎo)速度是升力、扭矩、阻力、側(cè)向力矩四個(gè)力的共同作用結(jié)果，但本文敘述時(shí)，首先給出了最終分析結(jié)果的式子，這個(gè)式子是我們的目標(biāo)式，目標(biāo)式的建立依據(jù)一是實(shí)驗(yàn)下確定了力與轉(zhuǎn)速的平方確實(shí)存在正比關(guān)系但具體系數(shù)未知，二是這個(gè)式子和按動(dòng)量分析下用誘導(dǎo)速度的平方建立的式子十分將近，所以借用調(diào)和系數(shù)整理給出假設(shè)式，再用葉素理論建立另一個(gè)轉(zhuǎn)速和力的關(guān)系式反算給出調(diào)和系數(shù)的表達(dá)式。 力或力矩與螺旋槳的關(guān)系 螺旋槳模型的分析屬于空氣動(dòng)力學(xué)模型，要求方法有動(dòng)量理論 、葉素理論、渦流理論等。在分析時(shí)，首先建立出力和螺旋槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并集總分析施加在飛行器上的力的方向等。 在本設(shè)計(jì)中，想建立四軸飛行器的模型結(jié)構(gòu)，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(dòng)力，來(lái)源于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的空氣流動(dòng)，受其反作用的影響產(chǎn)生上升的力（這個(gè)力的分析詳參文獻(xiàn) 【 2】 ）。 而前進(jìn)、后退、側(cè)飛三個(gè)動(dòng)作都是利用螺旋槳的升力差，使飛行 器傾斜，在傾斜時(shí)，飛行器受重力作用分解出水遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 14 14 平方向的加速度，形成前進(jìn)、后退、側(cè)飛兩個(gè)動(dòng)作。讓其中一組正轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，另一組反轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，這樣就用一組去抵消另一組旋翼的扭矩，保持不會(huì)自身旋轉(zhuǎn)。扭矩的作用使得飛行器有了繞中心旋轉(zhuǎn)的加速度，也就是在 Z軸方向的一個(gè)自由度。當(dāng)四軸旋翼作用力平衡且拉力大于飛行器自身重力時(shí)，飛行器加速上升同理可以完全懸停和下降。 圖 用串口調(diào)試程序在 PC 上接收的傳感數(shù)據(jù) 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 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(jī)架和四組旋槳電機(jī)組合構(gòu)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(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)了水 平位置，把地磁數(shù)據(jù)做成GPS 輸出。用串口調(diào)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(kāi)始標(biāo)志位，以逗號(hào)的 ASCⅡ碼為分隔幀。但價(jià)格昂貴，筆者在做比賽時(shí)使用過(guò)，非常好用，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有噪聲，筆者在此推薦。 本章小結(jié) 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 12 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?；蛘哒f(shuō)，沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)減少，從而使電阻增加。磁阻效應(yīng)：載流子的運(yùn)動(dòng)必須要求有電動(dòng)勢(shì)也就是導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)力作用才能移動(dòng)，當(dāng)存在磁場(chǎng)時(shí)，由于洛倫茲力的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)（類似霍爾效應(yīng)），在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，某 — 速度的載流子所受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，比該速度慢的載流子將向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。 對(duì)于地磁傳感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、電磁感應(yīng)、 AMR 相異性磁 力阻抗感應(yīng)、巨磁效應(yīng)（本文不再逐一介紹）。 如果許多智能產(chǎn)品，最典型的如智能手機(jī)，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(biāo)的原理就是采用九軸的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。 三軸磁場(chǎng)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(jì)、三軸 陀螺儀以外還有另外三軸就是地磁場(chǎng)傳感器。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式設(shè)計(jì)制造的芯片，輸出采用標(biāo)準(zhǔn) IIC 總線協(xié)議，由 SCL 和 SDA 引腳傳遞數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量容值變化就可以分析 出科里奧利力的大小，這個(gè)力的大小和角速度成正比關(guān)系，就可以按如上公式計(jì)算出角速度而且線性度極好。 實(shí)際陀螺儀的測(cè)量原理就是利用科里奧利效應(yīng)設(shè)計(jì)的，這個(gè)在上文假設(shè)的轉(zhuǎn)盤就是被測(cè)的剛體，其沿自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。他提出的模型效應(yīng)是：正如我們所見(jiàn)，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤上不同半徑位置的線速度不同，當(dāng)物體從盤心沿徑向向外運(yùn)動(dòng)時(shí)起對(duì)地線速度在增加，根據(jù)牛頓第一定律，沒(méi)有外力的作用速度就不會(huì)發(fā)生變化的道理，那么線速度的增加就應(yīng)該存在一個(gè)這樣的力的作用，這 就是他提出的假象力。但在實(shí)際應(yīng)用中不可能讓一個(gè)轉(zhuǎn)子保持在每秒幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的飛速旋轉(zhuǎn)條件下，所以實(shí)際的陀螺儀并不是真的有轉(zhuǎn)子在其中，而是利用科里奧利原理設(shè)計(jì)出來(lái)的。 在應(yīng)用中，我們只要檢查設(shè)置好的旋轉(zhuǎn)軸的指向就能知 道我們自身有沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而這個(gè)偏轉(zhuǎn)角也能由其旋轉(zhuǎn)軸指向給出。由于ω很大，這種抖動(dòng)實(shí)際上是不易察覺(jué)的，所以可認(rèn)為沖擊并未明顯改變轉(zhuǎn)子軸的方向，即高速自轉(zhuǎn)均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸具有抗沖擊的能力，這種特性稱為定軸性。沖擊 還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級(jí)的改變，但新的角速度方向已和新的動(dòng)量矩方向不一致。陀螺儀的依據(jù)就是陀螺原理：一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一個(gè)方向不變，就如陀螺一般在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以永遠(yuǎn)指向地面保持垂直。 圖 ADXL345 數(shù)據(jù)格式 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 10 如果讓兩者配合，就能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)靈敏又純凈的輸出信號(hào)。在四旋翼這個(gè)高度不穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng) 中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的一點(diǎn)點(diǎn)不平衡都會(huì)引起傾斜和繞 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。而且陀螺儀也只是輸出角速度，通過(guò)加速度計(jì)積分一次就可以得到。 三軸陀螺儀 概述 陀螺儀也是對(duì)于飛行器的旋轉(zhuǎn)的位置測(cè)量的傳感器，很人有這樣的疑問(wèn)，為什么加入了加速度計(jì)之后還要加入三軸陀螺儀。設(shè)置好后，在每一次芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新時(shí)給中斷信號(hào)，表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，主機(jī)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(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。連接方式如圖 所示，按此接法，其硬件物理地址為 53H，和標(biāo)準(zhǔn) 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(wǎng)上搜索，本文不贅述。從設(shè)計(jì)上講，最大的特點(diǎn)圖 ADXL345 I2C 總線接線圖 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 就是有 32 級(jí) FIFO 緩存，存儲(chǔ)了就近時(shí)間內(nèi) 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(jī)構(gòu)抵消外部慣性力，而是直接由外部慣性力帶動(dòng)差動(dòng)電容引起差模輸出的方式。 差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量。該傳感器為多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)變化時(shí)，自己跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，制作加速度計(jì)時(shí)讓轉(zhuǎn)子固定不動(dòng)，形成擺，其他設(shè)計(jì)原理與閉環(huán)液浮擺式一樣。繼而只要在外部接入頻率計(jì)，就可以知道此時(shí)的加速度。將執(zhí)行設(shè)備的電壓作為等效電壓并輸出即可。從原理上將，它是遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 8 8 將原設(shè)立原理：彈性形變量的改變引發(fā)電氣信號(hào)而輸出的道理改變?yōu)橛瞄]環(huán)結(jié)構(gòu)讓一個(gè)設(shè)計(jì)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(hào)。 對(duì)于閉環(huán)液浮擺式來(lái) 說(shuō)，與傳統(tǒng)的加速度測(cè)量原理比較，首先它是感知對(duì)應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)信息，其次它的信息輸出依據(jù)來(lái)源于閉環(huán)設(shè)計(jì)。 圖 DIY 四軸飛行器實(shí)物圖 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 第 3章 姿態(tài)傳感器介紹 三軸加速度計(jì) 傳感器原理 對(duì)于加速度的測(cè)量，傳統(tǒng)的方式是在傳感器內(nèi)部放置一個(gè)質(zhì)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(dāng)有該軸加速度產(chǎn)生時(shí)，物體施力于彈簧（彈簧和外殼連接，外殼和被測(cè)物直接連接固定），產(chǎn)生拉升或擠壓，記錄此時(shí)的彈性形變量就能知道外力再通過(guò)牛頓第二定律就能分析獲得當(dāng)前的加速度。 在實(shí)際過(guò)程中，檢測(cè)高電平寬度，有效信號(hào)為 12ms 的高電平長(zhǎng)度。 電子調(diào)速器 電子調(diào)速器簡(jiǎn)稱電調(diào)。所以采用直流電源輸出各相脈沖使其旋轉(zhuǎn)。 部分器件的作用介紹 無(wú)刷直流電機(jī) 電機(jī)是拖動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)力的裝置。組成后的飛行器如下圖所示： 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 6 6 注意：對(duì)角線上安裝的螺旋槳的形狀要一致。把電調(diào)固定在機(jī)架的四臂上后插上電機(jī)和電調(diào)連接的香蕉頭完成組裝整體。 首先將四個(gè)電調(diào)首先焊接到 F450 的機(jī)架上的焊盤上，同時(shí)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(gè)直流無(wú)刷電機(jī)、四個(gè)匹配電機(jī)的電子調(diào)速器、機(jī)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(shè)計(jì)最主要的部分，主要功能是傳感姿態(tài)、計(jì)算補(bǔ)償來(lái)控制遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 4 4 飛行器的穩(wěn)定。 機(jī)架用于支撐，無(wú)刷電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生力。調(diào)試之后得出三種不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)以供參考。 控制算法擬采用雙 PID 環(huán)或 BP 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)或模糊算法。實(shí)施方案：利用空氣動(dòng)力學(xué)建立螺旋槳轉(zhuǎn)速和拉升力之間的關(guān)系，在利用無(wú)刷電機(jī)模型和螺旋槳建立輸出波形和轉(zhuǎn)速的關(guān)系并最終得出 PWM 波和拉升力的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。 研究方案 四旋翼的動(dòng)力結(jié)果主要由電子調(diào)速器、直流無(wú)刷電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成。 獲得了相關(guān)信息后，除了飛行器高度控制用超聲波傳感器測(cè)量獲得外，還必須對(duì)于飛行器的目前姿態(tài)做測(cè)量組成閉環(huán)系統(tǒng)，而姿態(tài)測(cè)量的傳感器選擇使用陀螺儀，它以在不同傾斜狀態(tài)下對(duì)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(dòng)，變化速度快，其輸出波形干擾嚴(yán)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(chǔ)上，再根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的模型以及電調(diào)的分析獲得在一般狀態(tài)（螺旋槳旋轉(zhuǎn)只受空氣影響的狀態(tài)）下 PWM 波形和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，也就是建立了占空比和各個(gè)受力的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。 四旋翼機(jī)械模型主要是十字型機(jī)架和螺旋槳構(gòu)成。而從目前看來(lái)，解決的辦法已經(jīng)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(duì)應(yīng)控制算法解決了四旋翼的控制難題。 眾人皆知，四旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但由于只有四個(gè)輸出控制六個(gè)自由度，屬于典型的“欠驅(qū)動(dòng)”系統(tǒng)，并且具有強(qiáng)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(shù)的應(yīng)用，四軸飛行器開(kāi)始走向小型化，智能化的過(guò)程。因此研究它 的遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 2 2 價(jià)值顯而易見(jiàn)。為了滿足需要，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)入此類地區(qū)航拍、成圖、預(yù)處理報(bào)警成為必然。 研究它并實(shí)現(xiàn)控制可以讓其幫助實(shí)現(xiàn)禁飛區(qū)巡邏等軍事任務(wù)，同時(shí)也可以用于搜救、安全任務(wù)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(jī)一樣垂直起降外，因其由四個(gè)螺旋槳控制，所以還能實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)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(jī)動(dòng)性好，動(dòng)作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間短得多、飛行速度不快；而與單軸直升機(jī)比，四軸飛行器的機(jī)械簡(jiǎn)單，無(wú)需尾槳抵消反力矩，成本低。因此，低空低成本遙感技術(shù)顯得相當(dāng)重要，而四軸飛行器正符合低空低成本遙感平臺(tái)的要求。抽樣的方式工作量大，而且準(zhǔn)確性受主觀因素影響；而遙感的方式可以大范圍同時(shí)調(diào)查，時(shí)效性和準(zhǔn)確性都有保證，但只能得到大型作物的宏觀的指標(biāo)，而且成本很高。到今天，四軸飛行器已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，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、廣告宣傳航拍、航模玩具等，已經(jīng)成為重要的遙感平臺(tái)。 關(guān)鍵詞 ： MSP430，卡爾曼濾波，姿態(tài)結(jié)算，控制算法 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 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, Operation is very plex