【正文】 陀螺儀起到測量四旋翼飛行器的角速率的作用，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要。 1%變動(dòng)的振蕩器。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用 ， 對(duì)寄存器的讀取和中斷可用 20MHz 的 SPI。一個(gè)片上 1024 字節(jié)的 FIFO， 有助于降低系統(tǒng)功耗。 8， 177。 2，177。 2020176。 500， 177。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng) ， 傳感器的測量范圍都是用戶可控的 ， 陀螺儀可測范圍為177。 MPU6050也可以通過其 I2C 接口連接非慣性的數(shù)字傳感器 ， 比如壓力傳感器。它集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀 ， 3 軸 MEMS 加速度計(jì) ， 以及 一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP（ DigitalMotionProcessor） ， 可用 I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器 ， 比如磁力計(jì)。 STM32F103T8U6 只需要少量的電容和晶振即可工作（圖 33），外接姿態(tài)傳感器模塊、地磁傳感器模塊、 無線模塊、 充電模塊等。 本設(shè)計(jì)采用 ST 公司生產(chǎn)的 STM32F103T8U6 作為系統(tǒng)的主處理器。所有型號(hào)的器件都包含 2個(gè) 12位的 ADC、 3個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器 ， 還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C 和SPI、 3 個(gè) USART、一個(gè) USB 和一個(gè) CAN。第二部分為無線遙控（圖32）。內(nèi)部采用了放倒沖電路，當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓之后降至設(shè)定值的 1/10 時(shí)，將自動(dòng)終止充電循環(huán)。 采用 SP6205 為處理器和其他芯 片輸出電源，此芯片是一款低噪聲、低壓差、低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器，性能穩(wěn)定，出色的線性 /負(fù)載調(diào)節(jié)特性，并具有過流保護(hù)及過熱關(guān)斷模塊。為了減小體積和減輕重量，本系統(tǒng)把無線通信模塊固化在了 PCB 上。內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurst 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和 簡易的 I2C 系列總 線接口 。 它包括 最先進(jìn)的高分辨率 HMC118X 系列磁阻傳感器 ， 并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在 1176。 采用 MPU6050 作為姿態(tài)測量芯片，此芯片為系統(tǒng)的核心芯片，它 集成了 3軸 MEMS 陀螺儀 ， 3 軸 MEMS 加速度計(jì) ，對(duì) 陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè) 16 位的 ADC， 將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。 mx、 my 和 mz是各軸的力矩系數(shù)，用于把力矩轉(zhuǎn)換成功率變化量，具體數(shù)值與電機(jī)力矩特性、電機(jī)安裝位置等有關(guān)。把三個(gè)軸的力矩疊加起來，就得到各螺旋槳功率變化與提供的力矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用一個(gè)矩陣等式表示，見 (21)式。同步增加 0 號(hào)和 1 號(hào)、減小 2 號(hào)和 3 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 x 軸的力矩；同步增加 1 號(hào)和 2 號(hào)、減小 0 號(hào)和 3 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 y 軸的力矩；同步增加 1 號(hào)和 3 號(hào)、減小 0 號(hào)和 2 號(hào)槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供 z 軸的力矩。 0號(hào)3號(hào)1號(hào)2號(hào) 圖 21 四旋翼飛行器旋翼旋轉(zhuǎn)方向示意圖 Four rotor aircraft rotor rotation direction 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 6 假設(shè)四軸為剛體，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量矩定理，角速度和角加速度由外力矩決定 [2]，通過控制四個(gè)螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時(shí)，合外力為 0，螺旋槳的推力用于抵消重力，轉(zhuǎn)矩則由成對(duì)的正槳反槳抵消。與此不同的是 ， 小型四旋翼飛行器旋翼翼片的旋轉(zhuǎn)切角是固定的 ， 它是通過改變每個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)的角速度來控制整個(gè)飛行器的飛行。由于任務(wù)量和技術(shù)方面的原因，暫時(shí)實(shí)現(xiàn)半自主飛行。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 微型四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)和控制原理簡介 目前飛行 器 控制方式 主要有：遙控飛行、自主飛行以及半自主飛行三種方式。此四旋翼飛行器使用板載電源和傳感器 ， 這兩部分占據(jù)飛行器一半的質(zhì)量 ,慣性測量單元由 SystronDonner 生產(chǎn)。盡管無刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 電路很復(fù)雜 ， 但還是得以采用 ， 以實(shí)現(xiàn)較高的功率質(zhì)量比（ Power to weight ratios）。第二個(gè) 項(xiàng)目 主要關(guān)注飛行器的四個(gè)升力產(chǎn)生裝置以及飛行器的整體結(jié)構(gòu)。此濾波器主要用于保留高頻的傳感器數(shù)據(jù)（ 300Hz ）和低頻的視頻信號(hào)（ 10Hz） ， 并過濾掉其他頻率成分的干擾信號(hào)。地面計(jì)算系統(tǒng)根據(jù)傳感數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)計(jì)算出馬達(dá)輸入 ， 并將其發(fā)送至板載計(jì)算機(jī)。四個(gè) LED 被置于飛行器十字支架的四端 ， 用于給地面三個(gè)攝像機(jī)組成的視頻系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。 康奈爾大學(xué)啟動(dòng)了兩個(gè)四旋翼飛行器的項(xiàng)目。在原先有地面攝像機(jī)觀測的五個(gè)標(biāo)記的基礎(chǔ)上 ， 另一個(gè)標(biāo)記被至于地面攝像機(jī)上 ， 供板載攝像機(jī)觀測。仿真結(jié)果顯示后推控制器的性能較優(yōu) ， 并隨后設(shè)計(jì)了此 種控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。板載計(jì)算機(jī)通過傳王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 4 感器信號(hào)來穩(wěn)定飛行器 ， 并通過板上 R/C 接收設(shè)備來獲取地面計(jì)算系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)。由于 HMX4 模型的重量限制 ， 飛行器不能另外裝配 GPS 系統(tǒng)合加速度測量儀。置于地面的攝像機(jī)作為主傳感器來使用。 此 四旋翼飛行器的控制由板載計(jì)算機(jī)和地面計(jì)算系統(tǒng)處理傳感器和攝像機(jī)傳送的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。而外環(huán)控制最終被放棄 ， 因?yàn)閺? IMIU 獲得飛行器高度值存在一定難度。此模型在飛行器處于盤旋狀態(tài)時(shí)被線性化 ， 并在此線性模型的基礎(chǔ)上得出領(lǐng)航員控制輸入指令到歐拉角輸出的傳遞函數(shù)（ transfer functions）。一個(gè)雙核的板載計(jì)算機(jī)用來紀(jì)錄來自 R/C 接收器的輸入命令 ， IMU 上的串行接口是數(shù)據(jù)以 120Hz 的頻率被紀(jì)錄下來 ， 而另一個(gè)串行接口用來實(shí)現(xiàn) IMU 和地面計(jì) 算系統(tǒng)之間的通信。 X4 Flyers 在澳大利亞研制 ， 研制人員對(duì)兩個(gè)慣性測量單元（ IMU ）進(jìn)行檢測 ， 一個(gè)IMU 為 Crossbow 公司生產(chǎn)的商用 IMU ， 重約 475 克 , 另一個(gè)名為 EiMU 的 IMU 有澳大利亞的一個(gè)機(jī)器人小組研制而成 ， 重約 100 克。電動(dòng)馬達(dá)使飛行器飛行噪音很小。 Quattrocopter 使用的鋰電池在一次性充滿電后可維持其 20分鐘的飛行。 EADS Quattrocopter 原本是用來當(dāng)作研制微型飛行器控制單元的測試平臺(tái) ， 而如今因其良好的性能被工業(yè)界大量生產(chǎn)。板載芯片包括一個(gè)對(duì)領(lǐng)航者輸入的接收裝置 ， 三個(gè)傳感器測量飛行器三個(gè)方向的角速度 ， 一個(gè)微控制器來執(zhí)行控制算法計(jì)算。以下介紹近年來研制成功的一些有代表性的四旋翼飛行器。其中一些項(xiàng)目主要關(guān)注飛行器的建模以及通過仿真來驗(yàn)證對(duì)其控制的策略是否有效。經(jīng)試飛驗(yàn)證 ， Convertawings 飛行器在空中飛行性能良好 ， 但由于 當(dāng)時(shí)人們對(duì)此種飛行器缺乏興趣而停止生產(chǎn)。 Convertawings 于 1950 年在紐約的 Amityville 建造了一架四旋翼飛行器。在嘗試橫向飛行時(shí) ， 需要大量的人力和物力的支持。在該研究花費(fèi)了約 20 萬美元后 ， Bothezat 展示了他設(shè)計(jì)的飛行器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行 ，實(shí)際應(yīng)用的直升機(jī)理論上是可以制造出來的。截止 1923 年底 ， 該飛行器于俄亥俄州代頓市共試飛約 100 次。 1922 年 12 月 18 日于 Wright Field 進(jìn)行的一次試飛中 ，該飛行器飛行高度達(dá) 米 ， 空中飛行達(dá) 1 分 42 秒。 該飛行器重 1700kg， 于 1922 年十月進(jìn)行其第一次試飛。一 個(gè)小型的提升旋翼被置于支架交點(diǎn)的 180hp 的 Le Rhone 放射裝引擎上方 ， 但隨后不久就被認(rèn)為多余而被拆卸。 1921 年 1 月 ， 美國空軍軍團(tuán)（ US Army Air Corps）與 Gee de Bothezat 和 Ivan Jerome 簽訂合約共同建造垂直飛行器。飛行器起飛時(shí) ， 在其四端需要有工作人員幫助來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起飛。其中兩個(gè)旋翼順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) ， 另外兩個(gè)旋翼逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 2 1 四旋翼 飛行器 早期四旋翼飛行器設(shè)計(jì) 早在 20 世紀(jì)初期 ， 就有人開始研制載人四旋翼飛行器。 同 時(shí) ， 小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制 ， 先進(jìn)傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。 另一方面 ， 小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能 ， 并具有在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛 ， 盤旋 ， 飛行 ， 著陸的能力。相比之下 ， 運(yùn)用現(xiàn)代非線性控制理論設(shè)計(jì)的控制算法 ， 其性能明顯優(yōu)于經(jīng)典控制算法。 在無人飛行器自主飛行的眾多技術(shù)當(dāng)中 ， 飛行器自主飛行控制算法的設(shè)計(jì)一直是控制領(lǐng)域眾多研究者最關(guān)心的問題之一。由國際無人運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié) 會(huì) (International Association for Unmanned Vehicle Systems）組織的一年一度的國際空中機(jī)器人競賽 (International Aerial Robotics Competition),為自主旋翼式飛行器的應(yīng)用潛力研究提供了一個(gè)很好的展示平臺(tái)。 無人飛行器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：系統(tǒng)制造成本低 ， 在執(zhí)行任務(wù)時(shí)人員傷害小 ， 具有優(yōu)良的操控性和靈活性等。遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 0 前言 無人飛行器（ UAV）自主飛行技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) ， 并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求 ， 例如：偵察與營救任務(wù) ， 科學(xué)數(shù)據(jù)收集 ， 地質(zhì)、林業(yè)勘探 ， 農(nóng)業(yè)病蟲害防治 ， 以及視頻監(jiān)控 ， 影視制作等。通過無人飛行器來完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障 。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比 ， 其優(yōu)勢(shì)還包括：飛行器起飛和降落所需空間少 ， 在障礙物密集環(huán)境下的可控性強(qiáng) ， 以及飛行器姿態(tài)保持能力高。該競賽吸引了來自全世界不同國家研究團(tuán)隊(duì)的參與 ， 來完成預(yù)先設(shè)定的自主飛行任務(wù)。經(jīng)典的控制策略在飛行器系統(tǒng)的某個(gè)特 定作用點(diǎn)上往往首先將系統(tǒng)模型線性化 ， 然后在此基礎(chǔ)上運(yùn)用經(jīng)典控制理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制 ， 控制精度和控制能力偏弱。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比 ， 其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單 ， 并且只需通過改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制 ， 且飛行機(jī)動(dòng)能力更加靈活。飛行器可以飛至離目標(biāo)更近的區(qū)域 ， 而不像傳統(tǒng)直升機(jī)由于其巨大的單旋翼而不能近距離靠近目標(biāo)。在機(jī)器人的智能控制 ， 三維路徑規(guī)劃 ， 多飛行器的空中交通管理和碰撞規(guī)避等方面 ， 小型四旋翼飛行器自主飛行技術(shù)都具有極高的研究價(jià)值 。 BreguetRichet 四旋翼飛行器建造于 1907 年 ， 在其十字支架的四端固定了四個(gè)長為 米的旋翼。駕駛員坐在十字支 架得中心位置 ， 油門為唯一的控制設(shè)備 ， 而導(dǎo)致對(duì)飛行器的穩(wěn)定性控制并不理想。雖然自主飛行并未實(shí)現(xiàn) ， 但同時(shí)使用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋翼的思想是 BreguetRichet 四旋翼飛行器的顯著特點(diǎn)。 1678kg 的“ X”形結(jié)構(gòu)支架用來支撐位移支架四端的直徑為 米的六翼片旋翼。每個(gè)旋翼可單獨(dú)控制其轉(zhuǎn)速以產(chǎn)生不同的升力 ， 使飛行器傾斜而產(chǎn)生前后移動(dòng) 。飛行器的引擎很快被換為 220hp 旋轉(zhuǎn)式 Bentley BR2。 1923 年 1 月 19 日的另一次試飛 ， 飛行器將兩人抬至 米的高度。盡管合約中要求 ， 飛行高度達(dá)到 100 米 ， 該飛行器實(shí)際飛行高度只有 5 米。然而 ， 該飛行器動(dòng)力不足 ， 響應(yīng)性能不高 ，機(jī)械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜 ， 并存在潛在的穩(wěn)定性隱患。因此 ， 美國軍方最終對(duì)其失去了興趣 。此飛行器的每個(gè)旋翼直徑達(dá) 19 英尺 ， 并通過用兩個(gè)引擎來改變每個(gè)旋翼的升力來控制飛行器。 四旋翼飛行器研究現(xiàn)狀 近年來 ， 關(guān)于如何建造和控制四旋翼飛行器的文章層出不窮。而另一些項(xiàng)目則著眼于飛行遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 器在真實(shí)環(huán)境下是否能飛行成功。 Draganflyer 是 RC 玩具公司開發(fā)的商業(yè)產(chǎn)品 ， 它由 R/C 信號(hào)發(fā)射設(shè)備和板載控制芯片共同實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。最新出品的 Draganflyer 還包括四個(gè)紅外熱傳感裝置來幫助飛行器在室外飛行時(shí)的平衡。飛行器板載芯片由 MEMS 慣性測量單元（ IMU ） ， 氣流變化傳感器以及一個(gè) GPS 接受裝置 ， R/C 信 號(hào)接受器 ， 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率發(fā)達(dá)器組成。此飛行器長約 65cm,重約 千克 ， 機(jī)身可拆卸。飛行器有 50% 的功率余量來裝載負(fù)重。 X4 Flyers 研制人員稱商用 IMU 較大的重量會(huì)影響飛行器的性能 ， 因此最終采用 EiMU。 X4 Flyers 的研制提出了該飛行器的非線性模型。來 自 IMU 的傳感信號(hào)被高通濾波后用來測量內(nèi)環(huán)控制所需 的角速度。 賓夕法尼亞 大學(xué)的一個(gè)研究小組使用一個(gè)商業(yè)模型 HMX4 來研制自己的四旋翼飛行器。三個(gè)板載傳感器用來提供飛行器內(nèi)環(huán)穩(wěn)定控制的數(shù)據(jù)。置于飛行器底座的五個(gè) 的彩色標(biāo)記用為攝像機(jī)提供位置信息 ， 從而用標(biāo)記定位算法便可計(jì)算出飛行器上標(biāo)記的相對(duì)位置變化 ， 進(jìn)而計(jì)算出四旋翼的俯仰角 ，橫滾角 ， 橫擺角和平動(dòng)位置坐標(biāo)。地面計(jì)算系統(tǒng)用于接受和處理由地面攝像機(jī)傳送的圖像信息 ， 為四旋翼飛行器設(shè)定目標(biāo)指令值 ， 以及用 串 口傳送計(jì)算出的 馬達(dá) 驅(qū)動(dòng)輸入。