【正文】 由于手動(dòng)輸入6個(gè)通道進(jìn)入控制器，導(dǎo)致飛行器飛行延遲嚴(yán)重，在手動(dòng)模式下就無(wú)法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)飛行，而且由于課題中只需自動(dòng)控制飛行器的高度，所以只需由控制器控制油門的變化量，而無(wú)需控制其余通道輸出，固其余通道可以直接由接收機(jī)輸出給飛控，減少控制器的運(yùn)算量，進(jìn)而達(dá)到更好的飛行效果。自動(dòng)模式下，飛行模式，副翼，升降，方向信號(hào)原封不動(dòng)輸出給飛控，而油門通道由控制器自動(dòng)控制輸出PWM信號(hào)。四旋翼需要遙控器來(lái)操作飛行器的飛行軌跡，在飛行器上還有遙控器的接收機(jī)用來(lái)接收遙控器的控制信號(hào)。如果沒(méi)有飛控來(lái)控制飛行器的姿態(tài)，將無(wú)法控制四旋翼，飛行器將不受控制隨意偏轉(zhuǎn)。飛控一般安置在機(jī)架的正中間，與飛行器的幾顆電機(jī)所在的平面保持基本的平行，由飛控來(lái)控制飛行器四顆電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，來(lái)穩(wěn)定四旋翼。四旋翼的升力由螺旋槳提供，不同的電機(jī)配合不同的螺旋槳，才能發(fā)揮出電機(jī)最好的性能。另外還有信號(hào)線，接在飛控上，接收飛控的信號(hào)，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。四旋翼的電機(jī)一般為無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)通常使用壽命在幾萬(wàn)小時(shí)，使用時(shí)間長(zhǎng)，而且可控性強(qiáng)，無(wú)干擾，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，四旋翼無(wú)人機(jī)普遍用的都是無(wú)刷電機(jī)。雖然價(jià)格偏貴，但卻是專業(yè)無(wú)人機(jī)和愛(ài)好者的首選，運(yùn)用也最為廣泛。而塑料玻纖等運(yùn)用相對(duì)較多，材料相對(duì)廉價(jià)。機(jī)架如今市面上的機(jī)架有許多材料構(gòu)成：塑料，玻纖，碳纖，金屬等。中間為機(jī)身，是平整的幾塊板組成，用于放置設(shè)備。這也是四旋翼飛行器的最基本幾樣設(shè)備（）。四旋翼飛行器通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向姿態(tài)的控制，開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)高度的自主控制功能。本課題要求對(duì)飛行器高度的實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋，并能夠通過(guò)反饋的高度信息，測(cè)量當(dāng)前高度與預(yù)設(shè)高度的偏差值，自主控制飛行器改變當(dāng)前的高度。四旋翼飛行器有著廣闊的前景和發(fā)展空間，所以研究四旋翼飛行器是具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。本文將通過(guò)飛行器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感器選擇，軟件設(shè)計(jì)，飛行器系統(tǒng)調(diào)試來(lái)講述飛行器自動(dòng)定高功能的研究與實(shí)現(xiàn)。本文基于單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的自動(dòng)定高功能，多旋翼飛行器的自動(dòng)定高功能將使飛行器穩(wěn)定在固定的高度。2013年TED大會(huì)上麻省理工大學(xué)展示了搭載在無(wú)人機(jī)上的雷達(dá)，通過(guò)飛行器在位置的樓房飛行繪制出當(dāng)前地形的三維圖像。在功能上，多旋翼飛行器可以實(shí)現(xiàn)許多過(guò)去不能做到的技術(shù)，隨著人工智能的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的四旋翼飛行器可裝配高清攝像頭在飛行中實(shí)現(xiàn)安保、消防領(lǐng)域的工作。在多旋翼的技術(shù)研究發(fā)展的過(guò)程中，單片機(jī)、傳感器和各類算法等技術(shù)相互互補(bǔ)相互配合，組成多旋翼的根本核心, 所以多旋翼飛行器的發(fā)展就會(huì)被其中某項(xiàng)技術(shù)的研究突破所帶動(dòng)起來(lái)，能來(lái)帶許多科技創(chuàng)新，拓寬很多新功能，甚至許多是我們當(dāng)前無(wú)法想到的。飛行高度自主控制四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘 要 IAbstract II引 言 11 四旋翼飛行器系統(tǒng)方案的確定 2 2 2 3 3 4 5 62 四旋翼飛行器硬件設(shè)計(jì) 7 7 I/O分配表 10 11 123 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 13 13 15 16 PID控制程序分析 17 184 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 19 19 21 24 四旋翼飛行器高度自主控制系統(tǒng) 25結(jié) 論 26致 謝 28參考文獻(xiàn) 29II引 言近年來(lái)，多旋翼飛行器被大量的使用并受到各業(yè)的重視和關(guān)注,多旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)非常新穎、操控性能穩(wěn)定簡(jiǎn)單、可以垂直起降的飛行器。其帶負(fù)載能力強(qiáng)、飛行范圍廣、留空續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，具有很高的軍事研究?jī)r(jià)值和民用價(jià)值，現(xiàn)如今已經(jīng)走入了人們的日常生活中，被廣泛的運(yùn)用。在1907年，這是有記錄以來(lái)多旋翼飛行器最早的結(jié)構(gòu)形式，但是由于當(dāng)時(shí)在導(dǎo)航和控制上的技術(shù)還不成熟，多旋翼飛行器也受到了很大的限制，如今各項(xiàng)技術(shù)都有了非常大的進(jìn)步和發(fā)展，多旋翼飛行器得以實(shí)現(xiàn)。四旋翼的大負(fù)載能力和長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航能力在快遞行業(yè)和農(nóng)業(yè)上也得到了很大的利用，GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的精確定位，可以不需要人工遙控操作，就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的飛行路線和軌跡。還有通過(guò)幾臺(tái)四軸飛行器聯(lián)合搭建積木模塊，這都是是非常有發(fā)展空間的探索研究。本文通過(guò)高度傳感器測(cè)量高度并使用嵌入接收與飛控之間的控制板來(lái)控制飛行器當(dāng)前高度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定高，當(dāng)飛行器遇到突起或坡道時(shí)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)地面位置的高度保持。1 四旋翼飛行器系統(tǒng)方案的確定 四旋翼飛行器如今受人們廣為關(guān)注，基于它起降條件要求低，可靠的穩(wěn)定性等強(qiáng)大的功能，被大量的使用。本課題以四旋翼為平臺(tái)設(shè)計(jì)飛行高度自主控制的飛行器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行器能夠在特定高度范圍里進(jìn)行自主的控制功能，并且飛行器的飛行高度可以由使用者自行設(shè)定。本課題要求四旋翼在一定高度范圍內(nèi)完成自主控制功能，使用的四旋翼需要在300mm軸距以內(nèi)，設(shè)備載重600g以內(nèi)，由于定高高度相對(duì)較低，所選擇傳感器的高度測(cè)量范圍可以較小。四旋翼飛行器需要以下幾項(xiàng)設(shè)備才能使其飛行和工作：機(jī)架，飛控，電機(jī)，電調(diào)，電池，螺旋槳，接收機(jī)，遙控器。螺旋槳接收機(jī)遙控器電池電調(diào)電機(jī)飛控機(jī)架四旋翼飛行器 四旋翼組成圖四旋翼飛行器的基本組成首先為機(jī)架，也就是四旋翼飛行器的構(gòu)架，所有的設(shè)備安裝放置在機(jī)架之上。由機(jī)身延伸出來(lái)4個(gè)機(jī)臂，在其末端用于放置電機(jī)。其中由于金屬材料結(jié)構(gòu)過(guò)重，除了一些不在乎重量的情況意外，很少采用金屬的機(jī)架。而運(yùn)用最多的是碳纖維材質(zhì)的機(jī)架，碳纖維具有超強(qiáng)的剛性和硬度，不易變形，最重要的是重量非常輕。四旋翼飛行器的飛行需要依靠電機(jī)來(lái)帶動(dòng)飛行器，顧名思義，四旋翼飛行器具有4顆電機(jī)，每顆電機(jī)型號(hào)大小完全一直，分別置于四旋翼的四個(gè)機(jī)臂末端，四顆電機(jī)的距離基本一致并處于同一平面上。電子調(diào)速器是無(wú)刷電機(jī)必不可少的成分，根據(jù)電機(jī)的輸出電流大小，選擇不同型號(hào)的電子調(diào)速器，電子調(diào)速器將輸入的直流電轉(zhuǎn)化成3相交流電輸出給電機(jī)。用來(lái)提供動(dòng)力能源的就是電池，四旋翼飛行器常使用的是鋰電池，鋰電池具有高能量密度，高電壓，無(wú)污染等良好的性能，是無(wú)人機(jī)供電首選。四旋翼飛行器的控制核心是飛控，也是飛行器的大腦。飛控包含了三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)和磁力計(jì)等傳感器，用傳感器來(lái)檢測(cè)飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，來(lái)自動(dòng)修正飛行器，使其保持穩(wěn)定。飛控通過(guò)接收接收機(jī)的控制信號(hào)，與飛控傳感器得到需要修正的信號(hào)相互融合，分別輸出給每顆電機(jī)不同的信號(hào)傳給電子調(diào)速器，再由電子調(diào)速器來(lái)輸出不同大小的電流控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到四旋翼的預(yù)定姿態(tài)。 基于超聲波的高度自主控制系統(tǒng) 基于激光傳感器的高度自主控制系統(tǒng)利用遙控器實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的發(fā)送，通過(guò)飛行器上的接收機(jī)來(lái)接收遙控器發(fā)送的信號(hào)，接收到油門，副翼，升降，方向，手動(dòng)自動(dòng)切換模式和飛行模式6個(gè)信號(hào)，接收機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM通過(guò)6個(gè)通道接口輸出給控制器，手動(dòng)模式下，控制器將接收到的PWM信號(hào)原封不動(dòng)的輸出給飛控，通過(guò)飛控輸出給4顆電機(jī)來(lái)控制飛行器姿態(tài)改變。高度傳感器使用激光傳感器來(lái)測(cè)量，測(cè)量到的高度信號(hào)傳輸給控制器，通過(guò)當(dāng)前高度和預(yù)定高度的變化輸出油門的大小，來(lái)自動(dòng)控制高度的改變（）。激光傳感器在使用時(shí)必須垂直與地面才能做到測(cè)量精確，而飛行器在姿態(tài)改變時(shí)會(huì)傾斜，激光傳感器也會(huì)傾斜，導(dǎo)致激光與地面產(chǎn)生偏角，測(cè)量精度嚴(yán)重下降?？刂破髯鳛橥卣骨度虢邮諜C(jī)與飛控之間，可在手動(dòng)與自動(dòng)模式切換，控制油門大小。由于課題中只需自動(dòng)控制飛行器的高度，所以只需由控制器控制油門的變化量，手動(dòng)自動(dòng)模式切換通道需要連接到控制板上，由控制板接收手動(dòng)或者自動(dòng)模式來(lái)改變油門由手動(dòng)操作還是自動(dòng)操作。自動(dòng)模式下，控制器可由收到的當(dāng)前高度和給定高度做比較，來(lái)調(diào)整油門的大小自動(dòng)輸出給飛控來(lái)進(jìn)行控制，而手動(dòng)模式下，控制器只需將接收機(jī)的油門信號(hào)原封不動(dòng)輸出給飛控即可。thrmode2yaw rollpitch 高度Thr’飛控超聲波傳感器Arduino控制板無(wú)線模塊控制指令PWM電機(jī)4電機(jī)3電機(jī)2電機(jī)1 基于超聲波的控制示意圖 四旋翼高度自主控制系統(tǒng)的確定基于激光傳感器系統(tǒng)中由于接收機(jī)輸出通道都通過(guò)控制板轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸出，使輸出數(shù)據(jù)精度下降，并且不需要對(duì)其中的升降，方向，滾轉(zhuǎn)信號(hào)控制。激光傳感器測(cè)量高度是直線測(cè)量，只針對(duì)地面的一點(diǎn)，激光傳感器在使用時(shí)必須垂直與地面才能做到測(cè)量精確，而飛行器在姿態(tài)改變時(shí)會(huì)傾斜，激光傳感器也會(huì)傾斜，導(dǎo)致激光與地面產(chǎn)生偏角，測(cè)量精度嚴(yán)重下降。由控制板直接接收油門信號(hào)和手動(dòng)自動(dòng)模式的切換信號(hào)，而高度傳感器作為高度的檢測(cè)信號(hào)，高度的處理和油門輸出全由控制板單獨(dú)完成，最后將處