基于單片機(jī)的微型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

1、摘要本文對(duì)微型四旋翼飛行器自平穩(wěn)算法進(jìn)行研究，詳細(xì)分析了應(yīng)用互補(bǔ)濾波器，進(jìn)行信號(hào)處置的思路和參數(shù)整定進(jìn)程，應(yīng)用濾波后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行飛行器姿態(tài)角度融合，解算出飛行器實(shí)時(shí)的俯仰角、翻騰角、偏航角。在解算出飛行姿態(tài)角度的基礎(chǔ)上應(yīng)用PID算法操縱四旋翼飛行器進(jìn)行自平穩(wěn)懸停及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)操縱。硬件上，采納STM32F103乍為微操縱器，以MPU605祚為四旋翼飛行器姿態(tài)傳感器件，通過AO3402MOS驅(qū)動(dòng)四個(gè)空心杯電機(jī)改變飛行器姿態(tài)，設(shè)計(jì)結(jié)果是能準(zhǔn)確測(cè)量飛行器姿態(tài)并將測(cè)量角度輸出給相應(yīng)坐標(biāo)的電機(jī)，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。本文將從硬件、軟件初始化、操縱算法及調(diào)試等幾個(gè)篇幅詳細(xì)展現(xiàn)整個(gè)微型四旋翼飛行器的制作進(jìn)程。關(guān)鍵

2、詞微型四旋翼飛行器；互補(bǔ)濾波算法；PD操縱算法；STM32F103自平穩(wěn)Abstract:ThispaperisaresearchaboutalgorithmofQuadrotorMicro-aircraftSelf-balancing.ItwilldetailedanalysistheideaaboutusingComplementaryfilterdealwiththedigitalsignalsandhowtosettheparamerers.UsingthedataafterfilteringforfusingofQuadrotorattitudeAngleandcalculating

3、theQuadrotorMicro-aircraftPitchangle,RollangleandYawangle.Onthebasisofflying-AngleusingPIDalgorithmcontrollingQuadrotorMicro-aircraftachievestheself-balancinghoveringandrelatingmotioncontrol.HardwareusesSTM32F103asmicrocontroller,withMPU6050asattitudesensorofQuadrotorMicro-aircraft,throughAO3402MOSt

4、ubedrivingfourhollowcupmotortochangethespacecraftattitude.ThedesignresultcanaccuratelymeasurespacecraftattitudeandoutputthemeasuringAngletothecorrespondingcoordinatesofthemotorandrealizetheattitudeadjustment.ThisarticlewillshowthewholeproductionprocessoftheQuadrotorMicro-aircraftindetailfromthehardw

5、are,software,theinitialization,controlalgorithm,debugandsoon.Keywords:Microfourrotoraircraft;Complementaryfilter;PDcontrolalgorithm;STM32F103;Self-balancing1緒論1.本課題的研究意義及必要性1.相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展趨勢(shì)1.論文篇幅簡(jiǎn)介3.2四旋翼飛行器系統(tǒng)分析4.系統(tǒng)大體原理4.系統(tǒng)功能要求5.系統(tǒng)可行性分析5.3四旋翼飛行器整體設(shè)計(jì)7.功能模塊劃分7.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖7.系統(tǒng)流程圖8.開發(fā)工具和開發(fā)框架介紹8.AltiumDesig

6、ner介紹8.KeilforARM介紹9.Serial_Digital_ScopeV2介紹94四旋翼飛行器詳細(xì)方案設(shè)計(jì)10硬件模塊的功能及設(shè)計(jì).10最小系統(tǒng)板STM32F103模塊1.0低壓差電源模塊11傾角傳感器模塊11空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊12NRF24L01無線模塊.12驅(qū)動(dòng)程序功能及設(shè)計(jì)13最小系統(tǒng)板初始化13MPU6050初始化1.3NRF24L01初始化.13空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)初始化145四旋翼飛行器操縱算法實(shí)現(xiàn)16角度及角速度數(shù)據(jù)處置算法16互補(bǔ)濾波器可行性分析16互補(bǔ)濾波器算法軟件實(shí)現(xiàn)1.7姿態(tài)操縱算法1.7PID操縱算法可行性分析17PID操縱算法軟件實(shí)現(xiàn)18多維度操縱量輸出融合算法

7、1.96四旋翼飛行器綜合調(diào)試20大體功能實(shí)現(xiàn)20姿態(tài)角度數(shù)據(jù)搜集功能20四旋翼飛行器遙控功能21電機(jī)多維度矢量輸出功能21高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)22姿態(tài)角度數(shù)據(jù)融合功能22四旋翼飛行器自平穩(wěn)飛行功能23結(jié)束語24致謝25參考文獻(xiàn)26附錄A部份代碼27本課題的研究意義及必要性信息時(shí)期，微電子技術(shù)及慣性傳感器件的不斷進(jìn)步，使自平穩(wěn)算法實(shí)現(xiàn)成為可能。從地上跑的自平穩(wěn)機(jī)械人到天上飛的無人飛行器都離不開這些微電子技術(shù)及慣性傳感器。這些“飛禽走獸”在危險(xiǎn)領(lǐng)域的作業(yè)的突出表現(xiàn)，備受各國專家學(xué)者的關(guān)注。參軍用到民用，四旋翼飛行器由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造本錢低及簡(jiǎn)易的操縱算法測(cè)試平臺(tái)搭建，從而掀起了各個(gè)國家四旋翼飛行器愛

8、好者的研究狂潮。國防軍工事業(yè)離不開無人飛行器，四旋翼飛行器的優(yōu)良性能使它在偵查、監(jiān)視、跟蹤等任務(wù)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)流；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，各式各樣的四旋翼農(nóng)藥噴灑飛行器咆哮于各大農(nóng)場(chǎng)的上空；四旋翼飛行器的研究，不僅具有學(xué)術(shù)研究意義，還有可觀的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)意義，是學(xué)以致用的重要實(shí)踐進(jìn)程。相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展趨勢(shì)四旋翼飛行器普遍的應(yīng)用范圍和超高的有效價(jià)值促成了其在短時(shí)刻成為熱點(diǎn)，各國在四旋翼飛行器研究方面各有所長，以下是目前世界上比較出名的四旋翼飛行器研究功效：(1) RC玩具公司Draganflyer飛行器Draganflyer是玩具商業(yè)產(chǎn)品，系統(tǒng)集成了微操縱器、無線遙控、三維度傾角傳感器及角速度傳感器，機(jī)身結(jié)

9、構(gòu)由輕質(zhì)碳纖維及高密度尼龍搭建而成，DraganflyerX4-C是RC公司目前在賣的產(chǎn)品，售價(jià)2995美元，該產(chǎn)品長和寬都是47cm,最高工作直徑為71cm,高度為25cm,可攜帶不超過320g的重物，該產(chǎn)品要緊應(yīng)用于航拍，底部加裝高清攝像頭，如下圖：圖RC玩具公司的DraganflyerX4-C四旋翼飛行器(2) Stanford的STARMAC測(cè)試平臺(tái)斯坦福大學(xué)在Drangonflyer平臺(tái)上，從頭設(shè)計(jì)操縱系統(tǒng)，四軸飛行器上有：微型操縱芯片，傾角測(cè)量單元，藍(lán)牙通信單元，GPS定位模塊，超聲測(cè)距模塊。STARMAC能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信及相應(yīng)的姿態(tài)預(yù)測(cè)、調(diào)整。該飛行器多次應(yīng)用卡爾曼濾波器對(duì)搜

10、集信號(hào)進(jìn)行濾波，搜集的信號(hào)有傾角傳感器的測(cè)量值、超聲波測(cè)距模塊的高度值及GPS模塊的定位數(shù)據(jù)。應(yīng)用卡爾曼濾波器能將飛行器真實(shí)的飛行姿態(tài)進(jìn)行還原，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)固性。Stanford的STAMAC平臺(tái)如下圖：圖懸停在半空的斯坦福STARMAC四旋翼飛行器賓夕法尼亞大學(xué)大學(xué)的四軸飛行器傳遍全世界的TED視頻，來自賓夕法尼亞大學(xué)的四軸飛行器依托室內(nèi)攝像頭識(shí)別飛行器上標(biāo)記球，完成各類飛行動(dòng)作。經(jīng)典的演出令人連連稱贊，倒立擺模型及水杯支撐飛行，其穩(wěn)固性都給人留下了深刻的印象。相關(guān)視頻能夠在優(yōu)酷上的TED公布課視頻中找到，此處給出飛行器圖片，如下圖：圖TED上的四軸飛行器(4)開源的四旋翼飛行器樂在開源

11、，互聯(lián)網(wǎng)上有一些設(shè)計(jì)者將飛行器項(xiàng)目共享在互聯(lián)網(wǎng)上，吸引了大量的研究人員投入到開源的圈子里，在如此的資源共享世界里，四旋翼飛行器取得了極大的進(jìn)展，由于論文篇幅有限，在此只列舉幾個(gè)較出名的開源四軸飛行器項(xiàng)目，它們別離有：KK四旋翼飛行器，德國的MK四軸飛行器，MWC四軸飛行器等。四旋翼在以后，將變得加倍的智能化，隨著各類傳感器的不斷進(jìn)展，四旋翼飛行器穩(wěn)固性必將取得極大的提升，負(fù)重能力及續(xù)航能力都將大幅度提高。在以后，四旋翼飛行器將大量應(yīng)用于國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。智能時(shí)期，離不開這些智能化的產(chǎn)品。論文篇幅簡(jiǎn)介本文共分為七部份，各個(gè)部份的內(nèi)容簡(jiǎn)介如下：第一部份：緒論本部份要緊論述四旋翼飛行器課題的研

12、究意義和必要性并追溯其進(jìn)展淵源，同時(shí)還介紹四旋翼飛行器的應(yīng)用現(xiàn)狀和進(jìn)展趨勢(shì)。第二部份：四旋翼飛行器系統(tǒng)分析本部份對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的大體原理進(jìn)行分析并提出系統(tǒng)的功能要求，最后針對(duì)核心操縱算法的可行性進(jìn)行分析。第三部份：四旋翼飛行器整體方案設(shè)計(jì)對(duì)四旋翼的功能模塊進(jìn)行劃分并給出系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖及系統(tǒng)工作流程圖，最后簡(jiǎn)單介紹本系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的平臺(tái)工具。第四部份：四旋翼飛行器詳細(xì)方案設(shè)計(jì)本部份從硬件和軟件兩部份別離論述系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。硬件方面有最小系統(tǒng)板、電源模塊、傾角傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無線模塊設(shè)計(jì)方案；軟件方面有對(duì)應(yīng)硬件模塊的初始化。第五部份：四旋翼飛行器操縱算法實(shí)現(xiàn)本部份提出應(yīng)用互補(bǔ)濾波器來處置角度、角速

13、度數(shù)據(jù)的方式并分析互補(bǔ)濾波器在本模型中的可行性，最后附上互補(bǔ)濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)思路；運(yùn)算出傾角后，提出應(yīng)用PID來操縱飛行器姿態(tài)的觀點(diǎn)并分析可行性。最后給出多維度矢量輸出的實(shí)現(xiàn)算法。第六部份：四旋翼飛行器綜合調(diào)試該部份將展現(xiàn)四旋翼飛行器的大體功能實(shí)現(xiàn)和高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)的成效。大體功能包括四旋翼飛行姿態(tài)角度信號(hào)結(jié)果，四旋翼飛行器無線遙控調(diào)試結(jié)果，電機(jī)多維度矢量輸出調(diào)試結(jié)果；高級(jí)功能包括：姿態(tài)角度數(shù)據(jù)融合功能和飛行器自平穩(wěn)功能實(shí)現(xiàn)結(jié)果。第七部份：終止語總結(jié)本次設(shè)計(jì)中的不足，提出相關(guān)的改良方案，總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的收成，為后來人的研究提供些有效的建議。完成畢業(yè)設(shè)計(jì)后，對(duì)爾后的工作、研究提出指導(dǎo)性展望。最后對(duì)

14、本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給予筆者幫忙的所有人員致謝。2四旋翼飛行器系統(tǒng)分析系統(tǒng)大體原理作為無人飛行器研究的一重要分支，四旋翼飛行器因其簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)而備受注視，相關(guān)于龐大的無人機(jī)，四旋翼飛行器完美的機(jī)械結(jié)構(gòu)更符合力學(xué)的各類定律。也不像直升飛機(jī)那樣，需要設(shè)計(jì)一個(gè)排除反作用旋轉(zhuǎn)扭矩的槳葉。如下圖，四旋翼飛行器排除反作用旋轉(zhuǎn)扭矩的功能與生俱來。圖四旋翼結(jié)構(gòu)原理圖從圖4能夠看到，一、3號(hào)槳葉的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反向扭矩的方向是順時(shí)針方向，同理二、4號(hào)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反力矩方向?yàn)槟鏁r(shí)針，對(duì)角兩組電機(jī)在旋轉(zhuǎn)扭矩相等的情形下正好彼此抵消。如此巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)在操縱算法和節(jié)省能量方面大有裨益。系統(tǒng)無需提供額外的功率去抵消反作用旋

15、轉(zhuǎn)扭矩。四旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)多維度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)操縱，最大體的姿態(tài)是自平穩(wěn)懸停。懸停的穩(wěn)固性是完成所有動(dòng)作的基礎(chǔ)。四旋翼的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可分為：懸停、上升、下降、俯仰、翻騰、偏航六個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)四旋翼飛行器的四個(gè)電機(jī)輸出的合升力大于其本身所受重力時(shí)，在無外力作用下，四旋翼能一直維持上升飛行，反之那么下降。升力等于重力，四旋翼在懸停狀態(tài)。這是Z軸方向的三個(gè)運(yùn)動(dòng)形態(tài)。當(dāng)四旋翼飛行器的X軸方向的兩個(gè)電機(jī)輸出升力存在誤差，飛行器處在俯仰飛行姿態(tài)，這是經(jīng)常使用的沿X軸行進(jìn)的思路，其傾斜角與水平X軸的夾角叫做俯仰角。當(dāng)四旋翼飛行器的Y軸方向的兩個(gè)電機(jī)輸出升力存在誤差，飛行器處在翻騰飛行姿態(tài)，那個(gè)經(jīng)常使用的沿Y軸行進(jìn)

16、的思路，其傾斜角與水平Y(jié)軸的夾角叫做翻騰角。當(dāng)四旋翼飛行器沿Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)過的角度稱之為偏航角，該姿態(tài)依托對(duì)角兩組電機(jī)的反作用旋轉(zhuǎn)扭矩失衡來實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)。以上幾種運(yùn)動(dòng)原理如下圖：圖四旋翼飛行器6維度運(yùn)動(dòng)原理圖系統(tǒng)功能要求基于互聯(lián)網(wǎng)的開源資料，提出本系統(tǒng)的功能要求：系統(tǒng)分為基礎(chǔ)功能和高級(jí)功能，基礎(chǔ)功能包括：四旋翼飛行器姿態(tài)角度數(shù)據(jù)搜集功能；四旋翼飛行遙控功能；四旋翼電機(jī)對(duì)維度矢量輸出功能；高級(jí)功能包括：應(yīng)用互補(bǔ)濾波器進(jìn)行姿態(tài)角度融合功能；四旋翼飛行器自平穩(wěn)飛行功能。系統(tǒng)可行性分析微電子技術(shù)及傾角傳感技術(shù)的進(jìn)展及高性能電機(jī)為四旋翼飛行器的搭建提供了硬件保證。在此基礎(chǔ)上，僅需要對(duì)系統(tǒng)模型的操縱模型

17、進(jìn)行分析即可得知系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不是可行。找到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，才能分析系統(tǒng)的可行性，站在巨人的肩膀上，成立了如下數(shù)學(xué)模型,如圖4所示的機(jī)體坐標(biāo)系A(chǔ)(oxyz)及空間慣性坐標(biāo)系OXYZ,針對(duì)數(shù)學(xué)模型提出以下假設(shè)：(1)四旋翼飛行器是一個(gè)剛體，質(zhì)地均勻且完全對(duì)稱(2)質(zhì)心與機(jī)體坐標(biāo)原點(diǎn)重合(3)四軸飛行器槳葉不發(fā)生形變(4)四旋翼在各個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)速度與四軸電機(jī)的輸出呈線性關(guān)系在此假設(shè)條件下，依照牛頓第二定律，四旋翼模型能夠看成是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生空氣動(dòng)力的模型，其動(dòng)力方程式如下：=VLmaF$+F，R=RS(Q)方程式內(nèi)，表示四旋翼飛行器慣性坐標(biāo)原點(diǎn)到質(zhì)心的長度；m指四旋翼的質(zhì)量。成立三階轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣及旋轉(zhuǎn)

18、角速度矩陣，經(jīng)整理可得飛行器的動(dòng)力模型方程：一歸沙(人一/J十duj1x胡(7i工x=-(cossin+sinsinf)Ulmmz=一(cos披cos=一(cossin0sinf/-sincos()(7|槳葉可用以下狀態(tài)方程描述，經(jīng)轉(zhuǎn)換后推出模型方程。V=n-kecodfr.ACO.ki=L十C一十rd/=bVj/q4嗎a)；.式中：j仇二也,四=匚h=&/-J-iJ能找到四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型說明該系統(tǒng)是能夠用操縱理論制造操縱算法來操縱最小系統(tǒng)板電源模塊傾角傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)NR無線遙控系統(tǒng)板驅(qū)動(dòng)各模塊驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)濾波器角度融合自平衡算法飛行器的姿態(tài)，由此能夠明白，該四旋翼飛行器的操縱在理論上還有硬

19、件設(shè)計(jì)上都是可行的。詳細(xì)模型推導(dǎo)進(jìn)程，見參考文獻(xiàn)23四旋翼飛行器整體設(shè)計(jì)功能模塊劃分系統(tǒng)能夠劃分成硬件和軟件兩大部份。硬件包括搭載微操縱器的最小系統(tǒng)板單元，低壓差電源穩(wěn)壓模塊，傾角傳感器模塊，高速空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和NRF20L01無線遙控模塊。軟件部份包括最小系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，各個(gè)外圍模塊的驅(qū)動(dòng)程序，互補(bǔ)濾波器的軟件實(shí)現(xiàn)，角度矢量融合及四旋翼飛行器的自平穩(wěn)輸出算法。筆者在本次設(shè)計(jì)中重點(diǎn)做操縱算法這一塊，故會(huì)用比較大的篇幅來論述操縱算法的實(shí)現(xiàn)及實(shí)際調(diào)試的一些總結(jié)、體會(huì)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖由的功能模塊劃分，能夠得出以下系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖，本次設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器將依照?qǐng)D所示的各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。四旋翼飛行器軟件硬

20、件圖四旋翼飛行器系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)流程圖四旋翼飛行器的操縱流程能夠大致用圖所示的流程圖來表示，在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上面，系統(tǒng)要通過軟件來完成相關(guān)的運(yùn)算和操縱量輸出。流程圖只是一個(gè)大致的方向，其中的簡(jiǎn)單方框，可能包括大量的處置代碼，看似簡(jiǎn)約的操縱流程框圖，但卻不簡(jiǎn)單。圖四旋翼飛行器控制流程圖開發(fā)工具和開發(fā)框架介紹AltiumDesigner介紹AltiumDesigner是Altium公司為電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)者推出的一款集原理圖設(shè)計(jì)、仿真、PCB布局繪制、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析等功能于一體的EDA軟件。本設(shè)計(jì)采納的是本公司的試用版的AltiumDesigner進(jìn)行雙層PCB電路板的繪制。應(yīng)

21、用到的功能有原理圖庫的封裝設(shè)計(jì)，原理圖設(shè)計(jì)，PCB庫的封裝設(shè)計(jì)，PCB規(guī)那么設(shè)置及PCB布線布局等功能。本次設(shè)計(jì)所繪制的電路板性能比較穩(wěn)固，臨時(shí)還沒發(fā)覺任何問題。AD公司的軟件圖標(biāo)如圖8所示。KeilforARMKeilforARM是KeilSoftware與ARM合作開發(fā)應(yīng)用于ARM編程的軟件編譯環(huán)境，其優(yōu)勢(shì)是擁有極高的目標(biāo)代碼生成效率，緊湊的匯編代碼轉(zhuǎn)化；C語音編程方面，結(jié)構(gòu)性、可讀性、可保護(hù)性更強(qiáng)，友好的編輯環(huán)境通俗易懂，在程序下載燒錄方面，更是簡(jiǎn)單快捷。Serial_Digital_ScopeV2介紹Serial_Digital_ScopeV2中文稱虛擬數(shù)字示波器，通過挪用互聯(lián)網(wǎng)上提供

22、的數(shù)據(jù)處置函數(shù)，移植到系統(tǒng)程序中，再應(yīng)用微操縱器的串口，向上位機(jī)發(fā)送虛擬示波器的四路搜集數(shù)據(jù)，在調(diào)試互補(bǔ)濾波器、角度矢量輸出、操縱量輸出特性觀測(cè)的調(diào)試進(jìn)程中，虛擬示波器是不可缺少的工具，在整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程中，大部份的調(diào)試結(jié)果都通過它來顯示。在此,向提供虛擬示波器函數(shù)庫的先輩致敬。虛擬示波器的界面如下圖。圖虛擬示波器界面4四旋翼飛行器詳細(xì)方案設(shè)計(jì)本章節(jié)將從硬件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行講解四旋翼飛行器的詳細(xì)方案設(shè)計(jì)。硬件模塊的功能及設(shè)計(jì)硬件模塊包括最小系統(tǒng)板、電源、傾角傳感器、空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)及NRF24L01無線遙控模塊。最小系統(tǒng)板STM32F103模塊STM32F103是ST公司推出的一款基于AR

23、M的32位增強(qiáng)型微處置芯片，該芯片是基于Cortex-M3CPU內(nèi)核開發(fā)的，芯片自帶512K的FLASH,豐碩的GPIO資源，其復(fù)用引腳功能有USB、CAN、IIC、SPI、11個(gè)按時(shí)器、3個(gè)ADC和13個(gè)通信接口。本次設(shè)計(jì)用到了GPIO、IIC、SPI、按時(shí)器、ADC這幾個(gè)功能。最小系統(tǒng)板的原理圖如下圖。nn.一三匕-g獷EkRfeffELf-/FFFFrlr一Er口E/二二京EI-1-后FJr-1.鏟三一工序qprf肥kfcr-U嚴(yán)hmL;一y-kFFzhu-iGr-itrj-F_TH一r二三一爐ttrvpfl.FEbff二百二才NEPLPUPE4PEg熊鯉軍鱷遽斐連建舞群蕓重PI*V5A

24、TPC氏A=E3KTCKHOSC31JXKU-OKS：OUT室5GKDTTOJ3JVMCDf際.CTNESTK5KIPC2K30：XCPAEPA31PA11STM32F1O3Z*LQFP1Q0PA105EjTAG,VISATET-vssr-VEE乂PQEJQ才PAJ=_PT，11I3SS3：3S2S3g.ESESSlBEs5SSSEKOdAAddJCUuHdd二匚工jMjxjHpl,工區(qū)AA號(hào)嗎，-*二4DDIBdkJpaFiFZfzr.-44二工*1心三一En也一fteamwte.圖最小系統(tǒng)板原理圖低壓差電源模塊航模動(dòng)力電池提供的電壓是最左右，這就決定了的電源穩(wěn)壓模塊必需采納低壓差的穩(wěn)壓芯片

25、，LP2985貼片封裝穩(wěn)壓芯片是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，在的范圍內(nèi)，該芯片都能輸出穩(wěn)固的直流電，其電路原理圖如下圖。圖LP2985低壓差電源穩(wěn)壓原理圖傾角傳感器模塊傾角傳感器采納集成的MPU6050模塊，該模塊測(cè)量的傾角數(shù)據(jù)通過IIC通信協(xié)議傳給操縱器。該芯片集成了6軸數(shù)據(jù)測(cè)量功能，別離為X、Y、Z軸角加速度和角速度。同時(shí)，通過配置功能寄放器，還能夠取得芯片內(nèi)部自行融合的三軸角度值，除此之外，MPU6050還集成了基于地球磁場(chǎng)感應(yīng)的三軸數(shù)據(jù)功能，加上該傳感質(zhì)量輕，輸出數(shù)據(jù)滑膩,是航模制作中經(jīng)常使用的傾角傳感器，其原理圖如下圖。I-1-.J.!IT!-IIU1圖MPU6050電路原理圖空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

26、820空心杯電機(jī)，5V電壓轉(zhuǎn)速達(dá)到5W轉(zhuǎn)/秒，電流。四旋翼飛行器電機(jī)是單方向旋轉(zhuǎn)，故只需設(shè)計(jì)半橋驅(qū)動(dòng)即可，本設(shè)計(jì)采納AO3402N溝道MOS管設(shè)計(jì)半橋驅(qū)動(dòng)，如圖13所示，圖中包括兩路驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)需要四路驅(qū)動(dòng)，IN4148的作用是續(xù)流二極管并加上電容改善功率因數(shù)及濾波。詳細(xì)設(shè)計(jì)見原理圖。圖空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)NRF24L01無線模塊NRF24L01無線模塊，通信頻率在頻段，市面上賣該模塊的商家很多，價(jià)錢不貴，且專業(yè)化生產(chǎn)比自行設(shè)計(jì)的要穩(wěn)固，故本設(shè)計(jì)采納的是模塊化的NRF24L01無線模塊，采納SPI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與操縱芯片的信息互換。具原理圖如下圖。IRQ26+IRJQMEOMOSTCSJJCEVCCG

27、ND7MEO3CE-二衿DCAP圖NRF24L01無線通信模塊原理圖驅(qū)動(dòng)程序功能及設(shè)計(jì)硬件設(shè)備需要軟件驅(qū)動(dòng)才能擁有“靈魂”，本部份將附上各個(gè)模塊的初始化函數(shù)庫，因?yàn)檎撐钠邢?，STM32的函數(shù)庫，讀者能夠在工程中找到，筆者只給出挪用的函數(shù)名。最小系統(tǒng)板初始化最小系統(tǒng)板配置包括庫函數(shù)引導(dǎo)，鎖相環(huán)時(shí)鐘配置，GPIO配置等，詳細(xì)的參數(shù)配置詳見程序注釋。RCC配置如下圖。tables(toisi時(shí)注亞制寄李部至新戔艮7認(rèn)值手都高i時(shí)鐘國開,飛熾為涼？/，芍號(hào):口時(shí)鐘鈍分.illW-釬音之農(nóng)EtroE3lAtk；9七St&EtdpS【&tRC：_H3EC(Mi,_g：7Kr_M5E_3H；H3E3ti

28、ztistatuB=RC_mitraH?EStatqj(l;i門珞EH/t印尋；H-猛=叩UH抬flcc_HciiKOoiiEi?(acc_arscui_Divl)：定義電HB置備時(shí)鐘為賽鴕附tti分就宜段二PCLRZCcnf的(HCS_HCIA_tlTl)；,走_(dá)：AhHE盤昌比仲.為二二工聯(lián)手1金無口羽二PCLKICtnf謝I.RCC二且。!/二班修1；/.H；Pc=ld7_ATE27arifjl_AEI=rEKAELZI;而二二iP日工PeziphClDctCmddRCC二APE2%r牛七二11rENABLEI;h但匕7；.11及君由三二三:十轉(zhuǎn)打j刃二2二圖系統(tǒng)鎖相環(huán)時(shí)鐘配置驅(qū)動(dòng)程序M

29、PU6050初始化MPU6050采納IIC通信協(xié)議通信，其配置流程如下圖圖MPU6050配置流程圖三部份的程序比較多，詳細(xì)配置可查閱附錄代碼。NRF24L01初始化NRF24L01模塊采納的是SPI通信協(xié)議，SPI和IIC都是基于串行數(shù)據(jù)總線通信的協(xié)議，配置起來有許多相似的地址。配置函數(shù)如下圖。NRF24L01實(shí)現(xiàn)遙控按鍵值與微操縱器的指令互換，所有的操縱命令和操縱參數(shù)都能夠通過NRF24L01來傳遞。選擇NRF是因?yàn)樵撃K通信距離遠(yuǎn)，通信速度快且頻段在。在市面上已經(jīng)相當(dāng)做熟。價(jià)錢也不高。Vid?TCinfijurntricnrtcidl(SPI_InitCypeDstStwcture;翼RF

30、二工羽仆;srIInitstructL-re.SPDirection=5PLDixecti.on.21LinesFuliDuflex;77注全卡-T5E1initstmeture.3PX_Moae-5PJL_MDdie-_Maater;/主噗式3PI_Inittructuxc_9PI_Jttta9zze=2PI_Dataflize_0b;/3R4SCL3?T21it5tructnrc,3PI2CPOt-EPJCP玩_Le；一時(shí)及tJi性-至陽時(shí)為假SPt_tnlcsrmeture.3f-St_tFHa_lEidge；舞工上基汜有效=上升沿為死棒時(shí)刻Sl_Biittrnetura.SPX_fJ8

31、8=S1MflB_Set;憶號(hào)由軟件產(chǎn)生0PI_1nittructu.rt.9PI_BrHidRAtiPrttalir=2PI_2audRAt*?rtieaIir;一行”-j5Uz3PTInitStrueriAre.SFIFiistElt-5PHFirstBleMSB;一，哥也正明SFl_lJiirsT：ructra.SPj_RCealynaraial-0PI_Init(3PI1ht2PI_Initflructure);Enable3F：1/spiandtspil,emasle);圖NRF24L01SPI通信配置空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)初始化空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過調(diào)劑PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定的頻率為10

32、K,100%占空比輸出值為2000,采納按時(shí)器2作為PWM時(shí)鐘，四旋翼飛行器一共用到4路PWM別離驅(qū)一個(gè)理想的頻率值,PWM配置見圖。動(dòng)4個(gè)空心杯電機(jī)。選擇PWM頻率依照電機(jī)的特性來感覺，10K是在此頻率下，電機(jī)線性度良好，振動(dòng)及噪聲也相對(duì)要小很多。詳細(xì)的(voidPIMrim.BfiaseLnitTypeDef工工&1z:eEasestracVurB;InitTypeDefTIM_OZInitstructore;RCC_JPBlPeriphC：1oclOridf12Z_iFBLFeript,._!Z,ZE2.ZJSL1BLE;12HMractiixe-TLMPerxod-1立99：T3r.i

33、ctuxe-Ttit_P左臺(tái)耳?人工之上-0;T,TM_TiJn-=B.ae31EUetiiie-TIM_C1k.D1ViSidn三0riM_T1101=BiasestridEtuxe.7IM_CaunteiEMDd=TIM_Cquotei.Mcsde_Up;TTM_Tim-naBernit;TIM_MIni131jtuetura.T=TTM_Odfcde_PWmTIMOCInil9tkctura,TXK_Cutput3tata=mflOutputfcJltr-Enable!;TIM_0CTnitstmcture.TTM_DCFo1arit=TMnPalarity_HijhjriH_0CIni

34、t3tnucturc,TTM_Pulx=CCR0_Tal;riM-0CHnit(TIMS,4TTM_0CInltatructure);TTk2OSIPreloadConfig(CTR2rTIM_CCPr=loadEncbl;);InitT：rustart.rZM_Puls=ccH_vai7I?工必二口七之1口工t(TlMirhT2M_0C1nitHTMuetrs；21良。JlJ*lcadCont15L1H2r11應(yīng)匕Ne。1sad_tnthlej；1nitflrruceurs,TLH_nl3s_CCS2_Val;H?ItT033In-(riH2P4IZWOCInitSructiro1T工二3F

35、F41cadcorigT1H2,T二M_QCEminad_EnmL1b)jInitsragturcTe-CCS3_valj(TIHi.tIM_QClLitStZTICtur5);TIM_OZ4Prelead3onfiq(匚IR2rT1M_OC7relnad_Ezi五七10；jZl-iJiElPreLcadZonfiq(LM2tEXAE二E;.二JCmd，tHHFIiE：I-沒空斗蚊器赧出后的里里打值打次分西裁為3%不分領(lǐng)。比登時(shí)勢(shì)分里值”計(jì)類方式力濕序計(jì)蚊模式,增土工，/用以上學(xué)技包拍it定葉器葉間B俄慢木/出方式等Pww事式】“使能鞋出比較狀態(tài)一皚擊比較咬件為抵，錯(cuò)吉耳女庠以上參歌和的比匚工

36、的遢*二鐐置院生人用以上野政初始叱門he的逋道之設(shè)酉映亮n用I”上參數(shù)初始叱:二墟+:通iga/用以上前在端一必UH2的調(diào)出4圖空心杯電機(jī)PWM配置子程序四旋翼飛行器最終的PCB圖如下圖，實(shí)拍圖如下圖圖微型四旋翼飛行器PCB2D圖及3D效果圖圖想飛的感覺不是夢(mèng)，期待凌空的那一瞬間5四旋翼飛行器操縱算法實(shí)現(xiàn)操縱算法單獨(dú)設(shè)成一章，足見操縱算法的重要性，操縱算法是一個(gè)機(jī)械的靈魂，本章將探討四旋翼飛行器的操縱算法。角度及角速度數(shù)據(jù)處置算法MPU6050通過IIC傳輸回來的數(shù)據(jù)需要由字符型轉(zhuǎn)換位short型，應(yīng)用STM32F103微操縱器的一個(gè)益處是從short型到float型無需強(qiáng)制裝換，芯片內(nèi)部自行

37、轉(zhuǎn)換。熟悉到搜集回來的數(shù)據(jù)類型是字符型，在數(shù)據(jù)處置時(shí)能少走許多彎路，詳細(xì)問題解決筆者將在調(diào)試篇講到?；パa(bǔ)濾波器可行性分析IIC搜集回來的傾角數(shù)據(jù)是有噪聲的，如下圖。在應(yīng)用之前需要進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器有很多種，因?yàn)槭煜せパa(bǔ)濾波器，筆者在本設(shè)計(jì)中采納了互補(bǔ)濾波器來進(jìn)行數(shù)字濾波?；パa(bǔ)濾波的原理框圖如下圖。圖帶噪聲的MPU6050原始傾角數(shù)據(jù)有互補(bǔ)濾波器的原理圖，能夠得出如(2)式所示的互補(bǔ)濾波器的數(shù)學(xué)模型，將互補(bǔ)濾波器拆分成兩部份，加號(hào)左側(cè)組成高通濾波器，右邊組成低通濾波器。能夠從陀螺儀和加速度計(jì)的物理特性來明白得。angleKp*(anglegyro*dt)(1Kp)*acc(2)陀螺儀反映的

38、是角速度，高頻運(yùn)動(dòng)它的反映更靈敏而低頻情形下，陀螺儀幾乎沒有值輸出，如此的特性確信陀螺儀能夠用作高通濾波器。同理，加速度計(jì)在低頻運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出最靈敏而到高頻時(shí)輸出靈敏度降低，具有低通濾波器的特性，故能夠?qū)⒓铀俣扔?jì)視為低通濾波器。由此將二者特性結(jié)合起來應(yīng)用，能夠知足濾除四旋翼飛行器傾角信號(hào)噪聲的缺點(diǎn)，還原飛行器真實(shí)的角度。由此論證互補(bǔ)濾波器在理論上是可行的?；パa(bǔ)濾波器算法軟件實(shí)現(xiàn)由互補(bǔ)濾波器原理框圖，能夠得出取得如下圖的算法。在程序中已經(jīng)做了詳細(xì)的注釋，此處再也不重復(fù)。參數(shù)整定將在調(diào)試部份講解。ValueRegister=GetACCZXO.1;/強(qiáng)取X軸角加速度值，并數(shù)值歸一期上AsceValX=

39、(ValiiftRegistet-AseaVai)：.我二t用享Value_Registei=Get_GYR3_Y*0.1;次位丫軸高速度值，并數(shù)值歸一Air_G/roVal_X=Gyro_Rsvi3e_Val_X-VaLue_RegTiater)f數(shù)字詞零ValueRegister-Aj.r_AcceVaLX-AircraftAngle_X);/反正回瞽差直Alrcraft_Aiigle_5!+=Air_GyroVal_X+Valueejistex)&0.099;/角速度加上反送值后積分i得到渡波后角度圖互補(bǔ)濾波器算法軟件實(shí)現(xiàn)姿態(tài)操縱算法四旋翼飛行器要穩(wěn)固懸空飛行，需要穩(wěn)固的操縱算法。筆者在

40、本設(shè)計(jì)中采納經(jīng)典的PID操縱算法來完成飛行器的姿態(tài)操縱。PID操縱算法可行性分析PID操縱算法是比例、積分、微分、的第一個(gè)字母的大寫組成的算法，分為位置式PID和增量式PID。在自動(dòng)操縱理論課中證明過PID操縱的諸多優(yōu)勢(shì)，筆者選擇PID除能從書本上的證明論證可行性之外，還從飛行器自身的特性來考慮。由于論文篇幅有限，現(xiàn)在再也不引申講義上論述PID可行性的例子而是通過筆者自身的明白得來論證可行性。第一，四旋翼飛行器通過互補(bǔ)濾波取得一個(gè)較真實(shí)的角度值，同時(shí)，還有在每一個(gè)方向上都具有一個(gè)角速度值，從實(shí)驗(yàn)的波形能夠發(fā)覺，陀螺儀輸出的角速度是超前于角加速度的；第二，聯(lián)系PID中的D,微分也具有一個(gè)超前預(yù)測(cè)

41、轉(zhuǎn)變趨勢(shì)的作用，由此筆者想到了應(yīng)用陀螺儀的值乘以一個(gè)系數(shù)Kd取得PID中的D。然后，角度值與機(jī)體的角度看似呈線性轉(zhuǎn)變的，聯(lián)系PID中的比例分量，二者用著一起的物理意義，由此能夠?qū)⒔嵌戎党艘砸粋€(gè)Kp取得比例分量。最后是積分分量，是不是加積分量需要看前面的PD操縱是不是能知足四旋翼飛行器的自平穩(wěn)，若是PD調(diào)劑達(dá)到上限，系統(tǒng)還有靜態(tài)誤差時(shí)，那么加入積分加以修正。在數(shù)學(xué)建模中經(jīng)常使用類比的思想，總結(jié)出模型一起的物理特性，用已知的數(shù)學(xué)模型來替代未知的模型，再結(jié)合實(shí)際調(diào)試，總有取得真理的時(shí)候。最后的結(jié)論是：PID能夠知足四旋翼飛行器的平穩(wěn)操縱。PID操縱算法軟件實(shí)現(xiàn)1de.ye-edtTd)v。(5)如（

42、3）式所示，PID操縱器的微分方程，為了方便編程，需要將微分方程轉(zhuǎn)化成如（4）式所示的位置式PID或（5）式所示白增量式PID。本系統(tǒng)應(yīng)用的是PID模型是依照硬件特性類比PID算法得出的操縱算法，在編程上有必然的一起的地方。Ynkp(enJne/TTdlee)y。Tik。nYnkpenKad七6l)Y。k0式中1：kak*kpT一,kbkp*TdTi目前程序中只用到了PID,其框圖如下圖圖PID控制原理框圖通過上述互補(bǔ)濾波得出的角度值與外部給定的角度值作差，取得誤差角度乘上比例系數(shù)nP加上nD乘以陀螺儀測(cè)回的角速度值，取得空心杯電機(jī)的PWM值。其編程語句如下圖。-二-nD_i!x_GyroVa

43、l_X士rcra.ft_D_X7.敞分nSpeed_X=nP_X;鬲度融合if（n_3peed_X0）Spe&d_Ou.t_X_L=-n_Speed_X;/矢豆輸出j_（nSpeedIC+。）Spe&dOu.tICR=nSpfeedU;卜圖飛行器控制算法軟件實(shí)現(xiàn)多維度操縱量輸出融合算法四旋翼飛行器坐標(biāo)系如下圖，若是將X-Y軸的操縱量輸出進(jìn)行分解，每一個(gè)電機(jī)將取得兩個(gè)軸的PWM。分解成X-Y軸后在程序中分開處置XY軸，解析出操縱量后，最進(jìn)行輸出量融合。如此的方式能使四旋翼飛行器在XY平面內(nèi)360的傾角都有電機(jī)輸出響應(yīng)。圖四旋翼飛行器控制量坐標(biāo)系分解圖多維度角度融合算法軟件實(shí)現(xiàn)如下圖。CCRl_V

44、aI=Speed_Out_Y_L+3peed_Out_X_I.+Speed;/Speed_3_R;/J4CCR2_Val=3peed_Out_Y_H+3pe=ed_Out_X_R+Speed;yZ+SpeedaR;/J2CCR3_Val=Speed_Out_Y_Ii+Speed_Out_X_R+Speed;J/Speed_Z_L;/J3CCROVai=SpeedOutYF+3peedOutXL+Speed;/-SpeedZ/Jl圖多維度角度融合軟件實(shí)現(xiàn)CCR1_Val是PWM設(shè)定寄放器，通過改變其大小，能夠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。每一個(gè)電機(jī)在XY坐標(biāo)系能別離取得Speed_Out_x_x的操縱分量，相

45、關(guān)的輸出值符號(hào)，需要注意，調(diào)試部份將在第六章講到。在所有的角度操縱子程序中，所有的變量都是float型在，其它的子程序用到的變量聲明可在附錄A部份代碼中查閱，此處再也不重復(fù)說明。本章介紹了互補(bǔ)濾波器的原理及可行性分析并依照筆者的明白得，分享了對(duì)PID的算法的應(yīng)用心得，最后介紹了多維度操縱量輸出算法的原理及軟件實(shí)現(xiàn)。其中講到相似數(shù)學(xué)模型類比的思想，在PD操縱器中，能夠?qū)明白得成提供拉力的彈簧器，而D能夠明白得成提供阻力的阻尼器，在調(diào)劑飛行器姿態(tài)時(shí)，P過大會(huì)振蕩，過小那么反映滯后，如何找到一個(gè)適合的參數(shù)，需要一個(gè)漫長的調(diào)試進(jìn)程。6四旋翼飛行器綜合調(diào)試大體功能實(shí)現(xiàn)大體功能是飛行器飛行的基礎(chǔ)，若是調(diào)

46、試不行，飛行器后續(xù)的飛行動(dòng)作將很難實(shí)現(xiàn)，本部份將介紹姿態(tài)角度數(shù)據(jù)搜集、飛行器遙控調(diào)試、空心杯電機(jī)多維度矢量輸出的調(diào)試心得。姿態(tài)角度數(shù)據(jù)搜集功能MPU6050通過IIC協(xié)議讀寫數(shù)據(jù)，該芯片能提供9自由度的輸出量，在飛行器中，只用到了XYZ三軸的6自由度輸出量。讀取MPU6050需要先對(duì)芯片操縱寄放器寫入操縱字，設(shè)定工作模式后，才能從存儲(chǔ)相應(yīng)軸數(shù)據(jù)的寄放器讀取測(cè)量值。初始化及讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)如下圖。voidInit_HE1U_6050()(T2C_WritePWR_MGMT_1f0x00);I2c_writetsmfIjRTDIV,0x07);l2C_Wri-tc(COWFIC,0x0);l2C_W

47、rite(GYRO_CONFTGrDxlS);T2cZwriteACCEt_CONFIG,0x01);醒除休眠狀態(tài)漫直花堞儀的采樣頻率設(shè)置低通濾波頻室設(shè)競(jìng)陀埋墳的量也為土2000/西也宣力口速僮計(jì)的量程為土之寸sHaartgetdata(un.tAt言dldf)shortgetedldat.e=0jrgebed!daLteZ2C_ReaeSf.Adclx-)8pg1三七日dd-ate|=T2CRsad(2Lejir4-l)：xeturnqrezed_date;讀取高自住數(shù)據(jù)讀收低目位數(shù)據(jù)井含井成16位數(shù)/圖MPU6050初始化及數(shù)據(jù)采集子程序imoo圖MPU6050XY軸加速度計(jì)陀螺儀數(shù)據(jù)采集

48、結(jié)果數(shù)據(jù)讀取子程序Shortgetdata(uint8_tAddr)在剛開始編程時(shí)概念函數(shù)數(shù)據(jù)類型為：uint16getdata(uint8_tAddr),多走了很多彎路，依照常理來看，如此概念似乎沒有問題，可是如此概念的數(shù)據(jù)類型搜集回來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型后，通過虛擬示波器看，是一個(gè)跳躍的量，當(dāng)數(shù)值達(dá)到上限，數(shù)據(jù)從正最大值跳變到負(fù)的最大值。查閱了相關(guān)資料，發(fā)此刻STM32系列芯片中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不需增強(qiáng)制轉(zhuǎn)換符且字符型轉(zhuǎn)換成short型后，能夠向更高一級(jí)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算。通過一番艱苦的專研后，完美的數(shù)據(jù)被搜集回來如下圖。圖中，方形的波形是加速度計(jì)的波形，尖波波形的是陀螺儀的波形。四旋翼飛行器遙控

49、功能NRF24L01與操縱器應(yīng)用SPI協(xié)議進(jìn)行通信，初始化程序及通信的相關(guān)子程序比較多，故附在附錄A部份代碼中，本部份要緊講調(diào)試的進(jìn)程中碰到的問題及解決方案。在調(diào)試無線通信進(jìn)程中，筆者碰到的問題是空心杯電機(jī)帶槳葉中速運(yùn)行后，無線模塊完全接收不到外部給的任何信息，而電機(jī)不轉(zhuǎn)或不帶槳葉的情形下，通信正常，速度也不受阻礙。提出假設(shè)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，排查結(jié)果如下：(1)最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)電磁兼容性差，高頻信號(hào)阻礙了通信：NRF24L01通信頻段為，最小系統(tǒng)板上沒有能達(dá)到該頻段的器件，該假設(shè)不成立。(2)PCB布的電機(jī)動(dòng)力線太靠近NRF的IRQ端已致中斷信號(hào)無法產(chǎn)生而不能正常通信：將靠近IRQ中斷端的高頻線全數(shù)用

50、飛線替代，遠(yuǎn)離IRQ端，結(jié)果仍然是電機(jī)運(yùn)行時(shí)無法正常通信。(3)四個(gè)電機(jī)同時(shí)帶負(fù)載運(yùn)行，致使電源電壓拉低使NRF無法正常工作：做了額外的電源芯片并用第二塊電池供電，通信完全正常。由此得出的結(jié)論是：無法正常通信的緣故是電源電源拉低后NRF無法正常工作，總結(jié)的體會(huì)是選購電池是應(yīng)該選容量大的電池或?qū)RF直接獨(dú)立供電。選購NRF模塊必然要弄清楚具體的參數(shù)。電機(jī)多維度矢量輸出功能飛行器在XY平面上顯現(xiàn)誤差角度，低于設(shè)定角度的對(duì)應(yīng)電機(jī)需要加大轉(zhuǎn)速，提供更大的升力來彌補(bǔ)誤差，每一個(gè)電機(jī)要疊加來自XYZ三軸的角度操縱輸出量和飛行大體轉(zhuǎn)速。通過PID算出的電機(jī)PWM值要通過判定，才能疊加到相應(yīng)的電機(jī)上，在將多

51、維度操縱量輸出融合算法時(shí)已經(jīng)講過如何融合，調(diào)試部份重點(diǎn)講如何讓電機(jī)依照正確的方向輸出轉(zhuǎn)速。將飛行器沿著X軸方向傾斜，低位置的電機(jī)遇轉(zhuǎn)起來，依次給四個(gè)電機(jī)值，一一對(duì)應(yīng)好方向；Y軸也是一樣的道理。電機(jī)輸出方向必需正確，不然飛行器無法正常飛行，測(cè)試任何一個(gè)量，在不確信符號(hào)的情形下，需要將別的輸出量屏蔽掉，找對(duì)方向了再加回原先的量，如此不易犯錯(cuò)。高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)本部份將介紹高級(jí)功能的調(diào)試實(shí)現(xiàn)進(jìn)程，難點(diǎn)是PD和PID參數(shù)的整定。飛行器能不能穩(wěn)固飛行，靠的確實(shí)是這些參數(shù)。姿態(tài)角度數(shù)據(jù)融合功能互補(bǔ)濾波器的一共有三個(gè)參數(shù)要整定，如圖互補(bǔ)濾波器子程序所示，數(shù)字歸一本來的意思是回歸數(shù)據(jù)的本來物理意義，在此筆者乘以并無

52、回歸到角度和角加速度的物理數(shù)值上來，如此做只是為了將數(shù)據(jù)縮小10倍放在數(shù)據(jù)溢出。/互補(bǔ)地滋Value_RegisterAirAcceVaiXvalue_Regri3terAirGyroValXVa口曰曰；9七曰上- Get_ACCE_X*0.1/數(shù)值歸- (Valu.eRsg工日七日工一四uueReseValX);- Ger_c?YRQ_Y*0.1;，數(shù)值歸一- (GyroReviseVa1ValueReqiatei：);=&3h4口treVg1XAirerra.ftAneX)-Exror_Aug2=ExCQX_Anglc_X17ErrorAngleX1-ErroAngle0;Aircraft

53、_Anglo_X+_(Air_CyiroVal_X+Valuo_Rogin,tas)*0.C0G;/.反支系靠Error_Angle_X0aircraftLnqrleX-Set2Lngl&_X;圖互補(bǔ)濾波器子程序需要整定的參數(shù)前面2個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單，后面的那個(gè)是比較麻煩的，調(diào)大了會(huì)過沖如下圖,調(diào)小了會(huì)跟從緩慢，如下圖，如此的滯后波形是無法應(yīng)用到飛行器上的；只有調(diào)劑適合了才會(huì)取得如下圖的滑膩曲線。圖反饋系數(shù)=時(shí)的過沖波形圖反饋系數(shù)=時(shí)的滯后波形圖反饋系數(shù)=時(shí)的波形在調(diào)試互補(bǔ)濾波進(jìn)程中，陀螺儀的數(shù)值符號(hào)直接阻礙到濾波的跟從，正常的波形是濾波波形從原波形穿過，而非滯后必然的角度，因?yàn)橥勇輧x的角速度會(huì)超前于加速度的值，若是顯現(xiàn)波形滯后的情形，必然要看看陀螺儀的數(shù)值符號(hào)是不是正確，那個(gè)問題也困擾了筆者幾天，前車之鑒，后人注意呀。四旋翼飛行器自平穩(wěn)飛行功能自平穩(wěn)調(diào)試的參數(shù)有P、I、D的系數(shù)，先調(diào)P值到飛行器能自主的回到平穩(wěn)位置且顯現(xiàn)了必然的振蕩，在調(diào)劑D參數(shù)，此處微分相當(dāng)于一個(gè)阻尼器