四軸飛行器作品說明書(共14頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上四軸飛行器作品說明書摘要  四軸飛行器在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比其他類型的飛行器，四軸飛行器硬件結(jié)構(gòu)簡單緊湊，而軟件復(fù)雜。本文介紹四軸飛行器的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，軟件算法，包括加速度計(jì)校正、姿態(tài)計(jì)算和姿態(tài)控制三部分。校正加速度計(jì)采用最小二乘法。計(jì)算姿態(tài)采用姿態(tài)插值法、需要對比這三種方法然后選出一種來應(yīng)用?？刂谱藨B(tài)采用歐拉角控制或四元數(shù)控制。 關(guān)鍵詞：四軸飛行器；姿態(tài)；控制專心-專注-專業(yè)目錄 1.引言.12.飛行器的構(gòu)成  .12.1.硬件構(gòu)成.1 2.1.1.機(jī)械構(gòu)成.12.1.2.電氣構(gòu)成. 32.2.軟件構(gòu)成.

2、 32.2.1.上位機(jī). 32.2.2.下位機(jī). .43.飛行原理. . . 43.1. 坐標(biāo)系統(tǒng). 43.2.姿態(tài)的表示. 53.3.動(dòng)力學(xué)原理. 54.姿態(tài)測量. . . 64.1.傳感器校正. 64.1.1.加速度計(jì)和電子羅盤. 65.姿態(tài)控制. 65.1.歐拉角控制. 65.2.四元數(shù)控制. 76. 姿態(tài)計(jì)算.77. 總結(jié).8參考文獻(xiàn). 91. 引言四軸飛行器最開始是由軍方研發(fā)的一種新式飛行器。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。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、

3、廣告宣傳航拍、航模玩具等。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)。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 。本文就小型電動(dòng)四軸飛行器，介紹四軸飛行器的一種實(shí)現(xiàn)方案，講解四軸飛行器的原理和用到的算法，并對幾種姿態(tài)算法進(jìn)行比較。2.飛行器的構(gòu)成四軸飛行器的實(shí)現(xiàn)可以分為硬件和軟件兩部分。比起其他類型的飛行器，四軸飛行器的硬件比較簡單，而把系統(tǒng)的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到軟件上，所以本文的主要內(nèi)容是軟件的實(shí)現(xiàn)。 2.1.硬件構(gòu)成 飛行器由

4、機(jī)架、電機(jī)、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。2.1.1.機(jī)械構(gòu)成 機(jī)架呈十字狀，是固定其他部件的平臺(tái)，本項(xiàng)目采用的是碳纖維材料的機(jī)架。電機(jī)采用無刷直流電機(jī)，固定在機(jī)架的四個(gè)端點(diǎn)上，而螺旋槳固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，迎風(fēng)面垂直向下。螺旋槳按旋轉(zhuǎn)方向分正槳和反槳，從迎風(fēng)面看逆時(shí)針轉(zhuǎn)的為正槳，四個(gè)槳的中心連成的正方形，正槳反槳交錯(cuò)安裝。CAD設(shè)計(jì)機(jī)架如圖：整體如圖2-1：2.1.2. 電氣構(gòu)成電氣部分包括：控制電路板、電子調(diào)速器、電池，和一些外接的通訊、傳感器模塊。控制電路板是電氣部分的核心，上面包含MCU、陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤、氣壓計(jì)等芯片，負(fù)責(zé)計(jì)算姿態(tài)、處理通信命令和輸出控制信號(hào)到電子調(diào)速器。電子

5、調(diào)速器簡稱電調(diào)，用于控制無刷直流電機(jī)。電氣連接如圖2-2所示。2.2.軟件構(gòu)成2.2.1.上位機(jī)上位機(jī)是針對飛行器的需要，在Qt SDK上寫的一個(gè)桌面程序，可以通過串口與飛行器相連，具備傳感器校正、顯示姿態(tài)、測試電機(jī)、查看電量、設(shè)置參數(shù)等功能，主界面如圖(2-3)。2.2.2下位機(jī)下位機(jī)為飛行器上MCU里的程序，主要有三個(gè)任務(wù)：計(jì)算姿態(tài)、接受命令和輸出控制。下位機(jī)直接控制電機(jī)功率，飛行器的安全性、穩(wěn)定性、可操縱性都取決于它。下位機(jī)的三個(gè)任務(wù)實(shí)時(shí)性都要求很高，所以計(jì)算姿態(tài)的頻率設(shè)為200Hz，輸出控制的頻率為100Hz，而接收到命令后，立即處理。因?yàn)殡娮诱{(diào)速器接受的信號(hào)為PWM信號(hào)，高

6、電平時(shí)間在1ms2ms之間，所以控制信號(hào)輸出頻率也不能太高。3. 飛行原理3.1.坐標(biāo)系統(tǒng)飛行器涉及兩個(gè)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是固連在地面的坐標(biāo)系，機(jī)體坐標(biāo)系是固連在飛行器上的坐標(biāo)系。四軸飛行器運(yùn)動(dòng)范圍小，可以不考慮地面曲率，且假設(shè)地面為慣性系。地理坐標(biāo)系采用“東北天坐標(biāo)系”，X軸指向東，為方便羅盤的使用，Y軸指向地磁北，Z軸指向天頂。機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)在飛行器中心，xy平面為電機(jī)所在平面，電機(jī)分布在|x|=|y|,z=0的直線上，第一象限的電機(jī)帶正槳，z軸指向飛行器上方。如圖3-1所示。3.2.姿態(tài)的表示飛行器的姿態(tài)，是指飛行器的指向，一般用三個(gè)姿態(tài)角表示，包括偏航

7、角(yaw)、俯仰角(pitch)和滾轉(zhuǎn)角(roll)。更深一層，姿態(tài)其實(shí)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，表示機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，這里定義姿態(tài)為機(jī)體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表示方式，包括變換矩陣、姿態(tài)角、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、四元數(shù)等。3.3.動(dòng)力學(xué)原理螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，把空氣對螺旋槳的壓力在軸向和側(cè)向兩個(gè)方向分解，得到兩種力學(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)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)矩則由成對的正槳反槳抵消。當(dāng)飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)橥屏χ荒苎剌S向，所以只能通過傾斜姿態(tài)來提供水平的動(dòng)力，控制運(yùn)動(dòng)由控制姿態(tài)來間接實(shí)現(xiàn)。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

8、定，通過控制四個(gè)螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。首先對螺旋槳編號(hào)：第一象限的為0號(hào)，然后逆時(shí)針依次遞增，如圖(3-1)。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。以上“增加”和“減小”只是表明變化的方向，可以增加負(fù)數(shù)和減小負(fù)數(shù)，提供的力矩就沿對應(yīng)軸的負(fù)方向了。 4.姿態(tài)測量獲取當(dāng)前姿態(tài)是控制飛行器平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)，姿態(tài)的測量要求低噪聲、高輸出頻率，當(dāng)采用陀螺儀等需要積分的傳感器時(shí)，還需要

9、考慮積分發(fā)散等問題。近年來MEMS傳感器越來越成熟、應(yīng)用廣泛，成為低成本姿態(tài)測量的首選器件，因此該項(xiàng)目使用的傳感器全部都是MEMS傳感器。在使用傳感器的值進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算之前，有必要校正傳感器4.1.傳感器校正由于實(shí)驗(yàn)條件限制，傳感器的校正只有兩項(xiàng)，分別對應(yīng)兩種類型的傳感器：陀螺儀靜止時(shí)0輸出的傳感器、加速度計(jì)與羅盤測量某向量場強(qiáng)度的傳感器。4.1.1.加速度計(jì)和電子羅盤加速度計(jì)和羅盤都是測量所在點(diǎn)的某個(gè)向量場的值的傳感器，靜態(tài)時(shí)加速度計(jì)測的是等效重力加速度場，電子羅盤測的是地磁場。下面僅介紹加速度計(jì)的校正，羅盤的校正同理。加速度計(jì)測量的對象是比力，也就是等效重力加速度和運(yùn)動(dòng)加速度的和，當(dāng)靜止時(shí)，

10、運(yùn)動(dòng)加速度為0，加速度計(jì)的測量值為等效重力加速度，可以利用這一點(diǎn)校正加速度計(jì)。加速度計(jì)的校正的思路為：對測量值平移和縮放，把測量值擬合到重力加速度。因此校正的任務(wù)為：尋找最佳的平移和縮放參數(shù)，使總體測量數(shù)據(jù)的更靠近重力加速度。5.姿態(tài)控制姿態(tài)計(jì)算出來后，就可以輸出控制了。根據(jù)被控姿態(tài)的表示方式，分為歐拉角控制和四元數(shù)控制?？刂频乃悸窞椋涸O(shè)定一個(gè)目標(biāo)姿態(tài)，調(diào)整螺旋槳，使測量出的姿態(tài)變?yōu)槟繕?biāo)姿態(tài)。為了避免復(fù)雜的精確動(dòng)力學(xué)建模，選用PID控制器。5.1.歐拉角控制由于歐拉角對應(yīng)3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)的差值可以作為控制輸入量，角度的誤差直接可以對應(yīng)力矩的輸出。如果當(dāng)前姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)相差不大，

11、可以忽略旋轉(zhuǎn)順序的影響。5.2.四元數(shù)控制用歐拉角來控制姿態(tài)，每次控制都要算3次三角函數(shù)，運(yùn)算量很大。為了避免三角函數(shù)，可以直接用姿態(tài)四元數(shù)來控制。思路跟歐拉角控制一樣，先求姿態(tài)差，再把姿態(tài)差輸入到PID控制器，來輸出油門變化量。6.姿態(tài)計(jì)算為了比較幾種姿態(tài)計(jì)算算法的效果，先在下位機(jī)采集數(shù)據(jù)，然后在電腦上離線處理，這樣可以用相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和比較。數(shù)據(jù)分兩組，分別對應(yīng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的情況，測量時(shí)電機(jī)都是開的，因此把電機(jī)振動(dòng)也考慮進(jìn)來了。先比較靜態(tài)的情況。因?yàn)閹追N姿態(tài)融合方法的思路都是：陀螺為主、加速度計(jì)和羅盤用于糾正陀螺誤差，因此動(dòng)態(tài)性能取決于陀螺，靜態(tài)性能取決于加速度計(jì)和羅盤，所以靜態(tài)的情況最

12、能反映姿態(tài)融合算法的優(yōu)劣。圖6-3為三種方法算出的滾轉(zhuǎn)角，取了其中連續(xù)的1000個(gè)樣點(diǎn)，即連續(xù)5秒時(shí)間的數(shù)據(jù)。為了公平比較，先把參數(shù)調(diào)整到臨界值，即剛好能糾正陀螺漂移的值。由圖可以看出，姿態(tài)插值法和互補(bǔ)濾波法效果差不多，梯度下降法噪聲振幅比前兩者都大。然后比較動(dòng)態(tài)的情況。如圖6-4，“無陀螺姿態(tài)”是指僅用加速度計(jì)和羅盤計(jì)算的姿態(tài)，相當(dāng)于姿態(tài)插值法第二部分得到的姿態(tài)，可以看到3種算法光滑程度差別不大，因?yàn)閯?dòng)態(tài)時(shí)，性能由陀螺決定，而且相對于幾十度的運(yùn)動(dòng)角度，零點(diǎn)幾度的噪聲幾乎忽略不計(jì)。但是不同算法不同參數(shù)運(yùn)算的結(jié)果相差比較大，由于沒有專業(yè)的測量儀器，哪種算法的結(jié)果更接近實(shí)際值有待以后的研究。比較運(yùn)

13、算量，姿態(tài)插值法遠(yuǎn)大于梯度下降法，梯度下降法又稍大于互補(bǔ)濾波法。比較結(jié)果效果，姿態(tài)插值法跟互補(bǔ)濾波法差不多，都比梯度下降法好一點(diǎn)。最終方案是選擇互補(bǔ)濾波法。7. 總結(jié)：本四軸飛行器小巧精致、安裝簡便、便于攜帶，采用了結(jié)構(gòu)及承載效率較高的環(huán)形框架與中央塔座相結(jié)合的設(shè)計(jì)，并且機(jī)架全部采用輕質(zhì)高強(qiáng)度碳纖維材料制作而成，使得全機(jī)的重量得以控制和優(yōu)化。采用3300mAh大容量飛行智能電池，長達(dá)25分鐘的飛行時(shí)間。飛控采用高精度姿態(tài)算法，在室內(nèi)或無風(fēng)環(huán)境下，可以在不控制油門桿的情況下輕松懸?；蛄己玫囟ǜ邫C(jī)動(dòng)飛行，內(nèi)嵌GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)鎖定系統(tǒng),可以準(zhǔn)確的鎖定高度和位置，穩(wěn)定懸停、可實(shí)現(xiàn)失控返航、一鍵返航等特點(diǎn)。搭載增穩(wěn)云臺(tái)、高亮度LED燈帶和高清相機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸，可輕松實(shí)現(xiàn)夜間航行和記錄空中視角美麗瞬間。本四軸飛行器具有廣闊的發(fā)展前景。在民用方面可用于災(zāi)后搜救、城市交通巡邏與目標(biāo)跟蹤等諸多方面。工業(yè)上可以用在安全巡檢，大型化工現(xiàn)場、高壓輸電線、水壩、大橋和地震后山區(qū)等人工不容易到達(dá)空間進(jìn)行安全任務(wù)檢查與搜救工作，能夠?qū)?zhí)行區(qū)域進(jìn)行航拍和成圖等。參考文獻(xiàn)：1 彭軍橋.非共軸式碟形飛行器研究D.上海大學(xué)2001級(jí)碩士研究生