【正文】 機(jī)架結(jié)構(gòu)組裝好飛行器。在本設(shè)計(jì)中，采用新西達(dá)A2212/13T 1000KV的無刷電機(jī)，由12V直流電池供電；選擇XRotor（樂天）系列20A電子調(diào)速器；F450機(jī)架。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體框圖如下：第2章 四軸飛行器硬件組成 DIY四軸飛行器介紹 四軸飛行器四軸飛行器，又稱四旋翼飛行器、四旋翼直升機(jī)，簡稱四軸、四旋翼。而因?yàn)樗峁┑碾娫词侵绷麟娫?，無刷直流電機(jī)雖然是直流但實(shí)際輸入是三相電，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨三相電頻率變化而變化，所以在電源和電機(jī)之間需要一個(gè)部件來轉(zhuǎn)換電能和控制轉(zhuǎn)速，這就是電子調(diào)速器的作用。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖對(duì)于四軸飛行器來說，其中最重要的組成部分就是機(jī)架、無刷電機(jī)、電子調(diào)速器（下文簡稱電調(diào)）、飛控芯片四個(gè)部分。實(shí)施方案：做成實(shí)物之后，用三種不同的控制算法編程，擬采用MSP430微處理器。陀螺儀的主要功能在于傳感三個(gè)軸向上的角度和加速度，利用四元數(shù)法以及卡爾曼濾波分析獲得濾波之后的陀螺儀數(shù)據(jù)也就是姿態(tài)數(shù)據(jù)，為控制模塊給出當(dāng)前姿態(tài)信息。模型分析主要涉及空氣動(dòng)力學(xué)、無刷電機(jī)模型和電子調(diào)速器硬件電路。除此之外，研究內(nèi)容中還包括對(duì)于飛行器控制算法的選擇，擬定采用雙PID控制和神經(jīng)元算法兩種。這只是一個(gè)基礎(chǔ)模型，在一般狀態(tài)下提供在控制算法中的給定值設(shè)定的參考，也是飛行器在一般飛行條件下對(duì)于姿態(tài)變化要求的占空比改變值的基礎(chǔ)。在研究中，借助空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)等分析建立轉(zhuǎn)速和升力、扭矩、阻力（斜流狀態(tài)）等的直接關(guān)系，分析出了受力后再結(jié)合姿態(tài)分析得到，在各個(gè)姿態(tài)下的轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)以及姿態(tài)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速變化辦法等。 本課題主要研究內(nèi)容 研究主要內(nèi)容主要研究包括三部分：四旋翼的動(dòng)力學(xué)模型建立和分析、傳感器的數(shù)據(jù)處理以及控制算法的研究。而最致命的在于四旋翼的載重問題和續(xù)航問題一直無法解決。在那之后至今，國內(nèi)外對(duì)于四旋翼的研究就趨于成熟，人們已經(jīng)用它辦到了很多事，例如航拍、勘測、送傳遞。20世紀(jì)90年代，MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生以及相關(guān)算法的研究，四旋翼迎來了春天。2003年美國率先開始微型無人機(jī)的研究，四旋翼逐漸進(jìn)入人們的視線。 國內(nèi)外研究成果四軸飛行器始誕于1907年的法國，它誕生之初功能及其有限，而且控制復(fù)雜，起飛難度大，所以在曾經(jīng)鮮為人知。四軸飛行器以其完備的性能和成本，成為完成此類任務(wù)的不二之選?，F(xiàn)如今，在許多危險(xiǎn)場所，以至于工作人員不能進(jìn)入進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查，例如大型化工鍋爐、高壓輸電塔、水壩等。相比較而言，四軸飛行器更加靈活，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定飛行。本文就小型電動(dòng)四軸飛行器，介紹四軸飛行器控制設(shè)計(jì)原理和方案，重點(diǎn)講解MEMS慣性傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及四軸飛行器算法設(shè)計(jì)等。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)械簡單，無需尾槳抵消反力矩，成本低。不連續(xù)的地塊、小種作物等很難用上遙感調(diào)查。以農(nóng)業(yè)調(diào)查為例，傳統(tǒng)的調(diào)查方式為到現(xiàn)場抽樣調(diào)查或用航空航天遙感。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)。KEYWORDS: MSP430, Kalman filtering, attitude billing, control algorithm31第1章 緒論 前言四軸飛行器最開始是由軍方研發(fā)的一種新式飛行器。從其模型建立、傳感器數(shù)據(jù)處理、算法設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)四個(gè)方面的研究制作可定目標(biāo)的四軸飛行器。直到高精度的三軸加速度計(jì)和陀螺儀的出現(xiàn)，以及繼而為之引入的卡爾曼濾波原理讓多旋翼的姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能，有了姿態(tài)精確監(jiān)測又配合采用各種控制算法以及高效能的微處理器，多旋翼的控制才成為了可能。多功能棒料折彎機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 前言 1 本課題研究意義 1 國內(nèi)外研究成果 2 本課題主要研究內(nèi)容 2 研究主要內(nèi)容 2 研究方案 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 3第2章 四軸飛行器硬件組成 5 DIY四軸飛行器介紹 5 四軸飛行器 5 DIY操作 5 部分器件的作用介紹 6 無刷直流電機(jī) 6 電子調(diào)速器 6第3章 姿態(tài)傳感器介紹 7 三軸加速度計(jì) 7 傳感器原理 7 ADXL345 8 三軸陀螺儀 9 概述 9 傳感器原理 9 ITG3200 10 三軸磁場傳感器 10 傳感器原理 11 本章小結(jié) 11第4章 飛行器模型分析 13 概述 13 飛行器飛行原理 13 四軸飛行器模型建立辦法 13 力或力矩與螺旋槳的關(guān)系 14 升力和扭矩關(guān)系 14 阻力和側(cè)向力矩的關(guān)系 15 的建立 16第5章 算法設(shè)計(jì) 19 懸?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì) 19 懸停算法分析 19 PID算法選擇分析 20 PID三個(gè)參數(shù)的大小對(duì)于響應(yīng)波形的影響 21 模糊控制規(guī)則的建立 21 模糊控制表的建立 22 小結(jié) 22 運(yùn)動(dòng)算法設(shè)計(jì) 22 運(yùn)動(dòng)時(shí)和懸停時(shí)的差別 22 Z軸旋轉(zhuǎn)解決辦法設(shè)計(jì) 23 固定傾斜解決辦法 23 控制算法小結(jié) 24 九軸數(shù)據(jù)的融合算法 24 關(guān)于數(shù)據(jù)融合必要性的分析 24 加速度計(jì)與陀螺儀的數(shù)據(jù)融合 25第6章 程序設(shè)計(jì) 27 程序設(shè)計(jì)思想 27 程序方案 27 串口接收數(shù)據(jù)并重裝 27 概述 27 程序設(shè)計(jì) 27 PID算法程序 28 電調(diào)PWM信號(hào) 28總結(jié) 30論文小結(jié) 31致 謝 32參考文獻(xiàn) 33附錄一： 34附錄二： 412015屆電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要今年來航模界的目光已經(jīng)從固定軸飛行器轉(zhuǎn)移到了多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)上。多旋翼飛行器和噴氣式飛機(jī)幾乎在同一時(shí)間誕生，但在過去的百年中極少有目光投向它的原因就是因?yàn)樗目刂?、操作非常?fù)雜，因?yàn)槠浞较虻钠D(zhuǎn)等操作都依靠不同電機(jī)不同轉(zhuǎn)速配合形成，高度的非線性和其系統(tǒng)極差的魯棒性注定了在它誕生之初就無人問津。又由于它本身兼有可以靈活應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜飛行環(huán)境的特點(diǎn)（其它飛行器只能望其項(xiàng)背），迅速成為飛行器的焦點(diǎn)。本文主要介紹利用MSP430G2553單片機(jī)的LaunchPad和由AVR為主控芯片的9軸姿態(tài)結(jié)算傳感器搭建的四旋翼的飛控設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：MSP430，卡爾曼濾波，姿態(tài)結(jié)算，控制算法IABSTRACTThis 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, Because of its direction of deflection and other operations depend on the formation of different motors with different speed, Highly nonlinear systems and its poor robustness doomed at the beginning it was born nobody cares.Until precision triaxial accelerometers and gyroscopes appeared, And Kalman filtering principle whom subsequently introduced allows realtime monitoring of multirotor attitude possible, With attitude to accurately monitor and coordinate the use of various control algorithms and highperformance microprocessors, Multirotor control became possible. Also, because it is itself the characteristics of both can respond flexibly to a variety of plex flight environment(Other aircraft can hold a candle). Quickly became the point of intersection of the aircraft. This paper describes the use MSP430G2553 MCU LaunchPad and 9axis attitude sensor settlement by the AVR for the master chip to build a fourrotor flight control design. Its model, sensor data processing, algorithm design, and software realization of the four aspects of the research could be set goal of making fouraxis aircraft.隨著MEMS傳感器、單片機(jī)、電機(jī)和電池技術(shù)的發(fā)展和普及，四軸飛行器成為航模界的新銳力量。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。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。目前應(yīng)用廣泛的飛行器有：固定翼飛行器和單軸的直升機(jī)。 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。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。為了滿足需要，使用無人機(jī)進(jìn)入此類地區(qū)航拍、成圖、預(yù)處理報(bào)警成為必然。因此研究它的價(jià)值顯而易見。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展以及傳感器技術(shù)的應(yīng)用，四軸飛行器開始走向小型化，智能化的過程。眾人皆知，四旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單但由于只有四個(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。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。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。而從目前看來，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。四旋翼機(jī)械模型主要是十字型機(jī)架和螺旋槳構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)直流無刷電機(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。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量獲得外，還必須對(duì)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(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。 研究方案四旋翼的動(dòng)力結(jié)果主要由電子調(diào)速器、直流無刷電機(jī)和螺旋槳構(gòu)成。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?？刂扑惴〝M采用雙PID環(huán)或BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)或模糊算法。調(diào)試之后得出三種不同算法的優(yōu)缺點(diǎn)以供參考。機(jī)架用于支撐，無刷電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生力。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)償來控制飛行器的穩(wěn)定。這四軸飛行器（Quadrotor）是一種多旋翼飛行器。 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）。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。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