【正文】 該研究小組提出了一個四旋翼飛行器的動力學模型以及兩種控制策略 ， 分別為反饋線性化方法（ feedback linearization ）和后推法（ backstepping）。最近 ， 四旋翼飛行器新添加了一個板載攝像機 ， 聯(lián)合地面的攝像機來估計飛行器的位置。這種雙攝像機的方法使計算出的角位移誤差和線位移誤差更小。第一個項目的目標是用三個板載傳感器和地面視頻系統(tǒng)來計算飛行器的飛行高度。板載計算機將傳感數(shù)據(jù)傳送給地面計算系統(tǒng) ， 并根據(jù)地面計算系統(tǒng)傳來的指令數(shù) 據(jù)調(diào)整馬達轉(zhuǎn)速。該項目對四旋翼飛行器高度進行實時估測時 ， 使用一個卡爾曼 濾波器。實驗結(jié)果顯示 ， 該濾波器成功的消除了傳感器偏移的不利影響。研制小組使用 MATLAB 和ＡＮＳＹＳ有限元軟件來設計四旋翼飛行器的支架 ， 以確定其結(jié)構(gòu)單元的大小和受力強度。使用大直徑的旋翼以保證盤旋狀態(tài)的穩(wěn)定系能。此 IMU 存在一定程度的漂移 ，但足以保證飛行器盤旋狀態(tài)下的穩(wěn)定。遙控飛行是指沒有安裝飛行控制系統(tǒng)，可看成是航模，只能在視距內(nèi)飛行 ， 應用價值不大；自主飛行是指在飛行過程中完全脫離人的干預實現(xiàn)飛行，通常采用磁羅盤測量姿態(tài)，與角速率陀螺組成穩(wěn)定內(nèi)回路，并采用導航系統(tǒng)進行導航 [1]， 而半自主飛行是介于這兩者之間的飛行方式，飛行任務主要由人干預完成，飛行器裝有由角度傳感器和角速率陀螺組成的姿態(tài)角穩(wěn)定內(nèi)回路，飛行穩(wěn)定性和可操作性大大提高。 傳統(tǒng)直升機的旋翼系統(tǒng)由一個主旋翼和一個尾旋翼構(gòu)成 ， 通過變化旋翼翼片旋轉(zhuǎn)時的切角來改變飛行器的升力大小。 螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，把空氣對螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個方向分解，得到兩種力學效應：推力和轉(zhuǎn)矩。當飛行器運動時，因為推力只能沿軸向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動力，控制運動由控制姿態(tài)來間接實現(xiàn)。首先對螺旋槳編號：第一象限的為 0 號，然后逆時針依次遞增，如圖 (21) 。以上“增 加”和“減小”只是表明變化的方向，可以增加負數(shù)和減小負數(shù)，提供的力矩就沿對應軸的負方向了。 ΔT 是螺旋槳的功率變化量，為 41 矩陣，每行分別對應 0 到 3 號螺旋槳； m 是力矩，為 31 矩陣。 1 1 1111 d ia g ( , , )1 1 11 1 1x y zT m m m?????? ? ? ?????????m （ 21） 各個電機實際輸出的功率記為 outputT ，推力油門對應的功率量為 baseT ，則有： output baseT T T? ?? （ 22） 遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 7 3 系統(tǒng)硬件 設計 系統(tǒng)總體介紹 本系統(tǒng)采用 STM32F103 處理器作為主控芯片，此處理器是基于 arm 內(nèi)核的 cortexm3系列處理器，具有運算速度快，內(nèi)置高速緩存 ， 3個通用 16 位定時器和一個 PWM 定時器 以及豐富的外設和 I/O 等特點。 采用霍尼韋爾的 HM5883L 芯片系統(tǒng)的羅盤芯片，此芯片是 帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片 ， 應用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。 ~2176。 采用 NRF24L01+芯片作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸芯片，此芯片是一款工作在 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器模塊。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議都可以由用戶進行設置。 采用場效應管驅(qū)動四個電機旋轉(zhuǎn)，并增加了二極管續(xù)流，防止電機反電動勢擊穿場效應管。 另外，本系統(tǒng)還集成了 TP4056 充電芯片，此芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池恒流、恒壓的線性充電器。 本系統(tǒng)分為兩大部分，第一部分為四旋翼飛行器（圖 31）。 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 8 M C US T M 3 2 F 1 0 3M P U 6 0 5 0 傳 感 器N R F 2 4 L 0 1 無 線 模 塊H M C 5 8 8 3 L 傳 感器電 源電 機 X 4 圖 31 四旋翼飛行器原理框圖 Four rotor aircraft principle block diagram N R F 2 4 L 0 1無 線 模 塊電 源電 腦 U S B 端 口上 位 機 顯 示U S B 轉(zhuǎn) 串 口 模 塊M C US T M 3 2 F 1 0 3 圖 32 無線遙控器原理框圖 Wireless controller principle diagram 四旋翼飛行器 微控制器模塊 本 設計 采用 STM32F103 增強型系列使用高性能的 ARM/CortexM3/32 位的 RISC 內(nèi)核 ，工作頻率為 72MHz， 內(nèi)置高速存儲器 (高達 128K 字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的 SRAM)， 豐富的增強 I/O 端口和聯(lián)接到兩條 APB 總線的外設。工作于 40℃至 +105 ℃的溫度范圍 ， 供電電壓遼寧工程技術(shù)大學畢業(yè)設計（論文） 9 至 ， 一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。主要負責采集傳感器檢測到的姿態(tài)角速率（俯仰角速率、橫滾角速率和偏航角速率）、三軸的線加速度并實時解算；根據(jù)檢測到的飛行信息， 結(jié)合指定的控制方案，計算輸出控制量；通過無線通信模塊與地面進行數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)接收控制命令改變飛行狀態(tài)和上傳飛行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。 BOOT035NRST4OSC_IN/PD02OSC_OUT/PD13PA0WKUP7PA18PA1022PA1123PA1224PA13/JTMS/SWDIO25PA14/JTCK/SWCLK28PA15/JTDI29PA29PA310PA411PA512PA613PA714PA820PA921PB015PB116PB2/BOOT117PB3/JTDO30PB4/JNTRST31PB532PB633PB734VDD_119VDD_227VDD_31VDDA6VSS_118VSS_226VSS_336VSSA5U3STM32F103T8U612Y1XTALGND22pFC9Cap22pFC10Cap10kR8Res21uFC19CapVCCGNDVCCGNDARM_RSTJPWM_LEFTPWM_DOWNPWM_RIGHTPWM_UPPWM_LEFTPWM_DOWNPWM_RIGHTPWM_UPIRDA_ADBAT_ADIRDA_ADBAT_AD123P1COM DEBUG PORTTXDVCCGNDGNDVCC2K2R10Res2VCCINT_SENSORCOM_TXDINT_SENSORUSB_DUSB_D+SWD_DATASWD_CLKLEDSDA_LCDSCL_LCDRST_LCDSCL_SENSORSDA_SENSOR10KR9Res2GNDBOOT0123P2Header 32K2R13Res2VCCSCL_LCDSDA_LCDRST_LCDD9LED_RED4K7R11Res2VCC 圖 33 stm32最小系統(tǒng)原理圖 Stm32 minimum system schematic diagram 加速度計和陀螺儀模塊 MPU6050 是全球首例 9 軸運動處理傳感器。擴展之后就可以通過其 I2C 或 SPI接口輸出一個 9 軸的信號（ SPI 接口僅在 MPU6000 可用）。 MPU6050 對陀螺儀和加速度計分別用了三個 16 位的 ADC， 將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。 250， 177。 1000， 177。 /秒（ dps） ， 加速度計可測范圍為177。 4， 177。 16g。和所有設備寄存器王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 10 之間的通信采用 400kHz 的 I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口（ SPI 僅 MPU6000 可用）。另外 ， 片上還內(nèi)嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有177。 微型四旋翼飛行器在某個時刻的狀態(tài)由 6 個物理量來描述，包括三維坐標整的 3 個位置量和沿 3個軸的姿態(tài)兩（即稱為六自由度）。加速度計感應 3 個軸向的線加速度。連接到 I2C 接口的設備可做主設備或從設備。 當 MPU6050 連接到處理器時， MPU6050 作為從設備。 當 SCL 線為高電平時， SDA 線由高到低的下降沿，為傳輸開始標志（ S） 。結(jié)束標志（ P） 規(guī)定為，當 SCL 線為高電平時， SDA 線由低到高的上 升沿。對每一次傳輸必須伴有一個應答（ ACK）信號，其時鐘由處理器提供，而真正的應答信號由從 MPU6050發(fā)出，在時鐘為高時，通過拉低并保持 SDA 的值來實現(xiàn)。當 MPU6050 空閑后，并且釋放時鐘線，原來的數(shù)據(jù)傳輸才會繼續(xù)。 R/W 位表示處理器是在接受 MPU6050 的數(shù)據(jù)還是在向其寫數(shù)據(jù)。每個字節(jié)的傳輸都要跟隨有一個應答位。數(shù)據(jù)傳輸總是以停止標志（ P）結(jié)束，然后釋放通信線路。綜上可知，所有的 SDA 信號變化都要在 SCL 時鐘為低電平時進行，除了開始和結(jié)束標志。在第九個時鐘周期（高電平）時， MPU6050 產(chǎn)生應答信號。 如果要讀取 MPU6050 寄存器的值，首先由處理器產(chǎn)生開始信號（ S），然后發(fā)送 MPU6050 的地址位和一個寫數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送寄存器地址，才能開始讀寄存器。然后，作為從設備的 MPU6050 產(chǎn)生應答信號并開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。拒絕應答信號（ NACK）產(chǎn)生定義為 SDA 數(shù)據(jù)在第 9 個時鐘周期一直為高。 HMC5883L 包括最先進的高分辨率 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、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在 1176。的 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和 簡易的 I2C 系列總線接口。 原理圖如圖38。它的工作電壓時 5V，采用 USART 協(xié)議通信，通過轉(zhuǎn)換電路之后可以和 STM32的 SCI 口通信，并且自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便于微處理器直接通信。 SETP8SETC12C110NC13NC25NC36NC47NC514VDD2VDD_IO13S14SCL1SDA16DRDY15GND19GND211U2HMC5883LC3CapC4CapGNDVCC2K2R2Res22K2R3Res2GNDSCL_SENSORSDA_SENSOR 38 數(shù)字羅盤模塊 Digital pass module 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊是四旋翼無人飛行器和控制中心之間通信的橋梁。 NRF24L01 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片 。 CE1CSN2SCK3MOSI4MISO5IRQ6VDD17VSS18XC29XC110VDD_PA11ANT112ANT213VSS214VDD215IREF16VSS317VDD318DVDD19VSS420U6NRF24L01VCCGND12Y2XTALGND22pFC2522pFC30GNDVCC33nFC2322KR16GNDGNDC31CapC26CapC28CapC27CapL2InductorL4InductorL3InductorGND GNDGNDC24CapGNDC29CapGND12T1 TPGND1MR17Res2c24,c29,c31 無，不上ANT 天線C33Cap 圖 39 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 Wireless data transmission module 王賓： 微型四旋翼控制系統(tǒng) 14 極低的電流消耗當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時電流消耗為 接收模式時為 。 本系統(tǒng)通過無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù) ， 無線遙控器接收數(shù)據(jù)并傳送至電腦上位機。原理圖如圖 39。其中，串行時鐘輸出（ SCLK） 、數(shù)據(jù)輸出（ SDO）和數(shù)據(jù)輸入（ SDI）三條線 為所有設備共享。當 NRF24L01 沒有被片選信號啟動時，它的數(shù)據(jù)輸出線（ SDO）保持為高阻態(tài)。傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)為 SPI 地址，第二個字節(jié)為 SPI 數(shù)據(jù)。如果要發(fā)送多個字節(jié)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)位即可。微型四旋翼飛行器的動力系統(tǒng)由電機和旋翼組成。直流電機是功率器件，需要