【正文】 輸出盡量避免平行：系統(tǒng)傳感器有很多采用雙線通信的方式，比如超聲傳感器、數(shù)字羅盤和無線模塊等等，為了防止發(fā)生反饋耦合，輸入輸出線路避免平行。為了增加穩(wěn)定性、減少干擾，應(yīng)當(dāng)加大布線的安全距離。另外，導(dǎo)線寬度突變和小于90度的拐角會(huì)點(diǎn)電路系統(tǒng)中產(chǎn)生反射噪聲，實(shí)際布線中可以采用135度拐角走線，另外可以使用水滴形焊盤來過度不同寬度的導(dǎo)線。 PCB 正面布局圖 PCB背面布局圖 小結(jié)本章主要介紹了四旋翼無人機(jī)控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：包括元器件的選型和DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后給出了設(shè)計(jì)的抗干擾措施和硬件電路板的PCB布局。導(dǎo)航的根本任務(wù)就是引導(dǎo)飛行器從一個(gè)地點(diǎn)到另外一個(gè)地點(diǎn)[42]。常用的導(dǎo)航系統(tǒng)[43]有慣性導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、推算導(dǎo)航、組合導(dǎo)航等。 導(dǎo)航坐標(biāo)系描述坐標(biāo)系是描述物體所在位置和物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所選取的參考標(biāo)準(zhǔn)[43][44]。坐標(biāo)系的選擇非常重要，因?yàn)樵诓煌鴺?biāo)系下飛行器的描述規(guī)律和運(yùn)動(dòng)形式是不同的。相對于慣性坐標(biāo)系，非慣性坐標(biāo)系卻是普遍存在的，[43]。坐標(biāo)系之間的關(guān)系可采用四元數(shù)法或方向余弦陣描述[43]。機(jī)體系（b）和導(dǎo)航系（n）之間的方向余弦陣可由下式表示[46] ()而。 四旋翼無人機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)計(jì) 慣性導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)慣性導(dǎo)航[42][44]利用慣性傳感器測量載體相對于慣性空間的加速度和角速度，在給定初始運(yùn)動(dòng)的條件下，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，推算載體的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置。兩種導(dǎo)航方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：平臺(tái)式導(dǎo)航使用復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)將慣性敏感元件與載體的角運(yùn)動(dòng)隔離開來，系統(tǒng)的精度高，但是成本也比較高、可靠性差，體積大。機(jī)構(gòu)簡單、但是存在計(jì)算復(fù)雜和計(jì)算量大的缺點(diǎn)。本文選用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航算法。歐拉角法的優(yōu)點(diǎn)是變量少，但是需要進(jìn)行大量的三角函數(shù)運(yùn)算，而且還存在奇點(diǎn)問題?？紤]到DSP的處理能力和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，本文采用四元數(shù)法進(jìn)行導(dǎo)航姿態(tài)解算。為陀螺儀測量的載體角速度，為加速度計(jì)測量的加速度。（2）四元數(shù)初值確定[44][47]：四元數(shù)的初值確定是捷聯(lián)慣導(dǎo)的重要的組成部分。在實(shí)際系統(tǒng)中使用數(shù)字羅盤獲取，然后采用式()確定四元數(shù)的初值。（4）四元數(shù)歸一化[44][45]：姿態(tài)矩陣是正交矩陣，如果四元數(shù)法計(jì)算存在舍入誤差、截?cái)嗾`差，會(huì)導(dǎo)致捷聯(lián)矩陣成為非正交矩陣。++M090176。+M+180176。上述（1）~（6）的內(nèi)容是經(jīng)典捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的基本原理。但是對于本文所研究的小型四旋翼無人直升機(jī)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來說，導(dǎo)航算法的一些步驟是可以簡化的。因此時(shí)間短、移動(dòng)范圍小?！?，″(Google earth數(shù)據(jù))。（2）導(dǎo)航信息需求不多：目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。（3）傳感器精度不高：本文平臺(tái)所選用傳感器精度不是很高。/s（），理論上A/（12位），176。（4）系統(tǒng)誤差：導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差來源很多[45]，測量裝置的誤差（環(huán)境變化、轉(zhuǎn)換誤差等）、測量誤差、數(shù)學(xué)模型的近似誤差、初始對準(zhǔn)引起的誤差、迭代算法造成的誤差、元器件安裝誤差等等。根據(jù)以上幾點(diǎn)分析，不難發(fā)現(xiàn)，地球運(yùn)動(dòng)對導(dǎo)航系統(tǒng)帶來的誤差并不起主導(dǎo)作用。靜態(tài)穩(wěn)定性是衡量導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。對導(dǎo)航系統(tǒng)的靜態(tài)測試可以反應(yīng)出導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 慣性傳感器采樣慣性器件的傳感器帶寬最大為250Hz，根據(jù)香農(nóng)定理，設(shè)置采樣頻率為781Hz。 傳感器采樣數(shù)據(jù)處理 中值平均濾波雖然在硬件電路設(shè)計(jì)中采用了抗干擾的措施，但是模擬傳感器和A/D接口之間的電路仍不免混入干擾信號(hào)。剩余N4個(gè)數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值。 原始采樣數(shù)據(jù) 采樣數(shù)據(jù)經(jīng)滑動(dòng)均值濾波之后，基本可以去除采樣數(shù)據(jù)的脈沖干擾。通過傅里葉分解，我們可以看出數(shù)字序列中含有那種頻率成分。定義采樣頻率的一半為歸一化頻率（即奈奎斯特頻率）為1，而將小于奈奎斯特頻率的頻率歸一化。根據(jù)香農(nóng)采樣定理[63][64]，為了使采樣信號(hào)不失真，采樣頻率至少大于系統(tǒng)最大頻率的兩倍，因此設(shè)置采樣頻率為763Hz。首先去除原始信號(hào)中的直流趨勢項(xiàng)， 加速度計(jì)x軸振幅譜下邊是陀螺儀x軸的振幅譜，、。高頻噪聲幅值較小。陀螺儀的帶寬40Hz之內(nèi)的幅值比較大，為有用信息，但是在40Hz到90Hz之間有一段幅值比較大的噪聲頻率。 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的主要功能是對數(shù)字信號(hào)處理，最常用的是保留數(shù)字信號(hào)中的有用頻率成分，濾除信號(hào)中的無用頻率成分。IIR的優(yōu)點(diǎn)是有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式，設(shè)計(jì)簡單，但相位響應(yīng)不好。大多數(shù)算法能夠逼近任意頻率響應(yīng)。所以根據(jù)以上原因。FIR數(shù)字濾波器的差分方程描述為[67] ()對應(yīng)系統(tǒng)函數(shù)為 ()以下是設(shè)計(jì)FIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：（1）關(guān)于通頻帶：采樣頻率為763Hz對應(yīng)奈奎斯特頻率為1。因此設(shè)計(jì)的低通濾波器的通帶邊界選擇歸一化頻率，阻帶邊界盡量靠近通帶邊界。對采樣信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)使用的防干擾平均濾波方法設(shè)置的隊(duì)列長度為20階，實(shí)際使用數(shù)據(jù)是16階。 A/D轉(zhuǎn)換偏差的校正A/D轉(zhuǎn)換器有一個(gè)很大的缺陷，即存在增益誤差和偏移誤差。補(bǔ)償?shù)脑硎峭ㄟ^ADC的兩個(gè)通道分別輸入基準(zhǔn)參考電壓，然后根據(jù)基準(zhǔn)值和轉(zhuǎn)換結(jié)果來修正偏差。（2）利用線性方程y=xma+b和已知參考值xL，YL，xH，yH，計(jì)算實(shí)際增益誤差和實(shí)際失調(diào)誤差實(shí)際增益誤差 ()失調(diào)增益誤差 ()（3）定義輸入x=yCalGainCalOffset，則可以得到校正增益CalGain=1/ma=（xHxL）/（yHyL），校正失調(diào)CalOffset=b/ma=yL/maxL。A/D校正的軟件流程可參見第六章相關(guān)內(nèi)容。 靜態(tài)情況下姿態(tài)角變化曲線圖：在初始對準(zhǔn)到0176。176。/s、176。隨著時(shí)間的積累姿態(tài)角偏差越來越大，因此需要定時(shí)校正姿態(tài)偏差。（2）定時(shí)的使用更精準(zhǔn)姿態(tài)傳感器按照()式進(jìn)行四元數(shù)的初始化校準(zhǔn)。導(dǎo)航系統(tǒng)中，比慣性導(dǎo)航更精準(zhǔn)的傳感器是數(shù)字羅盤hmr3300，176。因此可以采用數(shù)字羅盤對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行每秒鐘8次的定時(shí)校準(zhǔn)。另外各姿態(tài)角的精度也大大提高。數(shù)字羅盤精度較高，可以進(jìn)行導(dǎo)航校準(zhǔn)。本文對四旋翼無人機(jī)平臺(tái)的研究是在在理想環(huán)境下進(jìn)行的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、環(huán)境變化都很小，因此可以使用數(shù)字羅盤對慣性導(dǎo)航姿態(tài)校準(zhǔn)而不考慮數(shù)字羅盤的延時(shí)性。 小結(jié)本章介紹了四旋翼無人直升機(jī)的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航的原理和常用的姿態(tài)解算方法。本章最后給出了實(shí)際導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)變化曲線。實(shí)際系統(tǒng)中可以使用數(shù)字羅盤對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)補(bǔ)償，從補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果來看，導(dǎo)航的精度大大增加。澳大利亞、法國和美國的學(xué)者共同對X4flyer的動(dòng)態(tài)建模[6]。本文所選用的是國產(chǎn)華科爾四旋翼無人直升機(jī)（Walker UFO4），它和Draganflyer結(jié)構(gòu)相似（），所以對Draganflyer的建模方法對本文的四旋翼機(jī)具有一定的指導(dǎo)意義。 直線運(yùn)動(dòng)的模型[17] [22[[50] [51]，四旋翼直升機(jī)的控制相當(dāng)于對力和扭矩的平衡。 四旋翼無人機(jī)的受力和運(yùn)動(dòng)圖四旋翼無人直升機(jī)直線運(yùn)動(dòng)的阻力一共有三個(gè)來源：重力、慣性和空氣阻力。根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)定律可知 ()式()中m為四旋翼直升機(jī)的質(zhì)量，ξ為導(dǎo)航系中的位置[x y z]T，F(xiàn)f、Fdt、FG為旋翼推力、空氣阻力和重力，且 ()其中Kdt=diag(Kdtx,Kdty,Kdtz)為阻力系數(shù)陣。地理坐標(biāo)系下四旋翼的推力Ff =[ Fx Fy Fz]可由下式獲得 ()式()中Fi是旋翼i產(chǎn)生的推力，它和旋翼的角速度ωi有如下關(guān)系 ()Kl推力常量，和空氣密度ρ，推力系數(shù)Cz以及旋翼參數(shù)相關(guān)的參數(shù)關(guān)系如下關(guān)系 ()由()到()系統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)方程變?yōu)? () 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模型作用在四旋翼無人機(jī)上的主要物理作用有：空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、空氣摩擦阻力、慣性力矩和陀螺效應(yīng)。因?yàn)樗男頇C(jī)有對稱性，所以為對角陣。Mi是四旋翼的z軸力矩 ()Kd是旋翼的阻力系數(shù)。 式()中 是陀螺效應(yīng)。將式()到式()分析，考慮到簡潔性，由于Jr的值很小()所以忽略陀螺效應(yīng)，便得到如式()所示的簡化系統(tǒng)模型 () 直流電機(jī)的模型[17]文獻(xiàn)[7]將小型直流電機(jī)近似為如下慣性環(huán)節(jié)模型 ()其中 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，U為輸入電壓，a為系數(shù)根據(jù)以上分析，由式()、()和()可得四旋翼無人機(jī)的動(dòng)態(tài)方程為： () 四旋翼無人機(jī)模型參數(shù)辨識(shí)，得到了如式()所示的系統(tǒng)模型。但是一些重要的參數(shù)，如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等與原四旋翼直升機(jī)模型并不相同。四旋翼無人直升機(jī)系統(tǒng)是在華科爾的四旋翼遙控直升機(jī)上改造的。 模型參數(shù)辨識(shí)本節(jié)的主要內(nèi)容是介紹()式中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣J和空氣摩擦系數(shù)陣Kaf的辨識(shí)方法。為了確定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣J，： Z軸參數(shù)辨識(shí)的懸掛方法圖 X/Y軸參數(shù)辨識(shí)的懸掛方法圖 四旋翼無人機(jī)基本參數(shù)參數(shù)含義大小m質(zhì)量g重力加速度r懸點(diǎn)到重心距離l繩長震蕩周期則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由以下方程得出[22] ()空氣阻尼系數(shù)可以使用自由擺的表達(dá)式來求得At=A(0)exp?(λωt)cos?(1λ2ωt) ()其中阻尼 等于 ()Kaf可由式()求得。對應(yīng)于角頻率= rad/s；=（2）Ka的辨識(shí)采用試湊法對Ka進(jìn)行辨識(shí)。令方差最小的值為。=105。 辨識(shí)實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)參數(shù)大小說明m/g質(zhì)量/重力加速度r中心離旋翼中心距離Jdiag(, ,)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣Kafdiag( , , ) N/rad/s空氣阻力系數(shù)陣 模型其他參數(shù)參數(shù)大小說明Kdtdiag( , , )N/m/s阻力系數(shù)Kl推力常量Kd旋翼的阻力系數(shù)Jr旋翼慣量a/b電機(jī)參數(shù)()式，得到最終模型如下： ()上式中各變量含義如下表所示。（1）垂向運(yùn)動(dòng)：增加四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，旋翼的推力增大；減小四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，旋翼的推力減少。（2）水平轉(zhuǎn)動(dòng)：四旋翼無人機(jī)的一對電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生逆時(shí)針扭矩；另一對電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生順時(shí)針扭矩。（3）俯仰運(yùn)動(dòng)：，如果旋翼1和旋翼3的推力不同，則機(jī)體在這兩個(gè)電機(jī)所在的軸線方向受力就不平衡，從而產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)。 四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)目前國內(nèi)外學(xué)者使用了多種控制方案來控制四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)。 PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，本文選用PID控制器控制各個(gè)姿態(tài)。 四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)圖上圖中，前向通道(F)、后向通道(B)、左向通道(L)、右向通道(R)、電機(jī)電機(jī)2和電機(jī)4；‘+’表示電壓增大，‘’表示電壓減小。當(dāng)M0為正時(shí)，左向電機(jī)電壓減少，右向電機(jī)電壓增大，并且增加量等于減少量，這樣便在滾轉(zhuǎn)通道上產(chǎn)生扭矩。 系統(tǒng)仿真分析 仿真平臺(tái)搭建由本章前文分析，依據(jù)式()。 四旋翼無人直升機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖上圖中motor為電機(jī)模塊，輸入、輸出量為電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速；Mi為電機(jī)的扭矩模塊；Fi為旋翼推力模塊；Ff為機(jī)體坐標(biāo)系推力與導(dǎo)航坐標(biāo)系推力轉(zhuǎn)換模塊；VX是四旋翼無人直升機(jī)直線運(yùn)動(dòng)模塊；VX1是直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模塊。由躍響應(yīng)曲線可以看出，四旋翼無人機(jī)的各姿態(tài)角的閉環(huán)性能很差。因此有必要設(shè)計(jì)控制器來控制各姿態(tài)角，使系統(tǒng)性能滿足要求。采用PID控制之后， 各姿態(tài)通道PID控制器參數(shù)的值通道KpKiKd俯仰814滾轉(zhuǎn)717航向1330 小結(jié)本章首先介紹了四旋翼無人直升機(jī)的建模方法，并對四旋翼無人直升機(jī)模型的一些參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。在本章的最后設(shè)計(jì)了最常用的PID控制器來控制系統(tǒng)的姿態(tài)角。6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引言控制系統(tǒng)軟件一共分為六個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、導(dǎo)航模塊、控制模塊和無線通訊模塊。 軟件系統(tǒng)總流程四旋翼無人直升機(jī)的軟件系統(tǒng)的總流程如下圖所示： 軟件系統(tǒng)總流程圖由上圖可以看出，整個(gè)軟件系統(tǒng)分為主流程和中斷處理兩部分。主流程負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)工作：上電之后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化自檢。若是選擇自動(dòng)飛行，系統(tǒng)根據(jù)控制目標(biāo)，自動(dòng)完成飛行動(dòng)作。其中系統(tǒng)初始化自檢操作是由系統(tǒng)初始化模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊共同完成；導(dǎo)航解算操作由導(dǎo)航模塊完成；高度/姿態(tài)控制是由控制模塊完成；中斷處理部分由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊共同完成。因此，對DSP性能要求比較高，同時(shí)要合理利用DSP的系統(tǒng)資源。 硬件系統(tǒng)初始化硬件系統(tǒng)初始化：包括外設(shè)的啟動(dòng)與寄存器配置、中斷設(shè)置等等。，一般硬件初始化步驟如下：①初始化系統(tǒng)控制（包括鎖相環(huán)、看門狗和外設(shè)時(shí)鐘等）②初始化GPIO③關(guān)全局中斷④初始化中斷控制寄存器⑤清除CPU中斷標(biāo)志寄存器和中斷使能寄存器⑥初始化中斷向量表⑦開中斷⑧初始化外設(shè)⑨使能CPU中斷和PIE中斷⑩使能全局中斷詳細(xì)信息可參考相關(guān)文獻(xiàn)或者TI官方的例程。這一點(diǎn)常常被一般開發(fā)者忽略。在使用FLASH燒寫時(shí)，應(yīng)避免使用文件中的匯編函數(shù)（如DELAYUS（）），因?yàn)檫@些函數(shù)是專門為RAM編寫的，F(xiàn)LASH和RAM的內(nèi)存分配方式不同，運(yùn)行該匯編程序會(huì)使程序跑飛，跳到一個(gè)未知的內(nèi)存地址。系統(tǒng)初始化的時(shí)候應(yīng)該正確設(shè)置各級中斷，否則有可能不能進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。（4）不同功能模塊都要使用的外設(shè)，應(yīng)該只初始化一次，否則有可能造成誤操作。因此對于TB1的設(shè)置和修改需要謹(jǐn)慎，否則有可能造成錯(cuò)誤。因此DSP在采集相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)的操作也并不一樣