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實現(xiàn)方案，軟件算法，包括加速度計校正、姿態(tài)計算和姿態(tài)控制三部分。校正加速度計采用最小二乘法。計算姿態(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)動性好，動作靈活，可以垂直起飛降落和懸停，缺點是續(xù)航時間短得多、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 。本文就小型電動四軸飛行器，介紹四軸飛行器的一種實現(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，本項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)架的四個端點上，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)面看逆時針轉(zhuǎn)的為正槳，四個槳的中心連成的正方形，正槳反槳交錯安裝。CAD設(shè)計機(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?？刂齐娐钒迨请姎獠糠值暮诵?，上面包含MCU、陀螺儀、加速度計、電子羅盤、氣壓計等芯片，負(fù)責(zé)計算姿態(tài)、處理通信命令和輸出控制信號到電子調(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，主要有三個任務(wù)：計算姿態(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)的三個任務(wù)實時性都要求很高，所以計算姿態(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。因為電子調(diào)速器接受的信號為PWM信號，高

6、電平時間在1ms2ms之間，所以控制信號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。四軸飛行器運動范圍小，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)其實是一個旋轉(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.動力學(xué)原理螺旋槳旋轉(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(xué)效應(yīng)：推力和轉(zhuǎn)矩。當(dāng)四軸飛行器懸停時，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)。假設(shè)四軸為剛體，根據(jù)質(zhì)點系動量矩定理，角速度和角加速度由外力矩決

8、定，通過控制四個螺旋槳，可以產(chǎn)生需要的力矩。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(3-1)。同步增加0號和1號、減小2號和3號槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供x軸的力矩；同步增加1號和2號、減小0號和3號槳的功率，可以在不改變推力的情況下，提供y軸的力矩；同步增加1號和3號、減小0號和2號槳的功率，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，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)計算之前，有必要校正傳感器4.1.傳感器校正由于實驗條件限制，傳感器的校正只有兩項，分別對應(yīng)兩種類型的傳感器：陀螺儀靜止時0輸出的傳感器、加速度計與羅盤測量某向量場強(qiáng)度的傳感器。4.1.1.加速度計和電子羅盤加速度計和羅盤都是測量所在點的某個向量場的值的傳感器，靜態(tài)時加速度計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的校正，羅盤的校正同理。加速度計測量的對象是比力，也就是等效重力加速度和運動加速度的和，當(dāng)靜止時，

10、運動加速度為0，加速度計的測量值為等效重力加速度，可以利用這一點校正加速度計。加速度計的校正的思路為：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。控制的思路為：設(shè)定一個目標(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)計算為了比較幾種姿態(tài)計算算法的效果，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)行計算和比較。數(shù)據(jù)分兩組，分別對應(yīng)靜態(tài)和動態(tài)的情況，測量時電機(jī)都是開的，因此把電機(jī)振動也考慮進(jìn)來了。先比較靜態(tài)的情況。因為幾種姿態(tài)融合方法的思路都是：陀螺為主、加速度計和羅盤用于糾正陀螺誤差，因此動態(tài)性能取決于陀螺，靜態(tài)性能取決于加速度計和羅盤，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個樣點，即連續(xù)5秒時間的數(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。然后比較動態(tài)的情況。如圖6-4，“無陀螺姿態(tài)”是指僅用加速度計和羅盤計算的姿態(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，因為動態(tài)時，性能由陀螺決定，而且相對于幾十度的運動角度，零點幾度的噪聲幾乎忽略不計。但是不同算法不同參數(shù)運算的結(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)果更接近實際值有待以后的研究。比較運

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。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，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、可實現(xiàn)失控返航、一鍵返航等特點。搭載增穩(wěn)云臺、高亮度LED燈帶和高清相機(jī)，實現(xiàn)圖像實時傳輸，可輕松實現(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級碩士研究生