基于STM32F407單片機(jī)的四軸裸機(jī)飛控源程序與制作調(diào)試

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2021-3-5 10:05 上傳

四軸飛行器的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)支架交叉形成機(jī)架，然后在兩個(gè)支架的兩端配備螺旋槳如圖2-1。根據(jù)牛頓第三定律中作用力與反作用力的關(guān)系，螺旋槳產(chǎn)生向下的力，而對(duì)飛行器自身會(huì)得到一個(gè)向上的升力，從而去克服重力作用。當(dāng)四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力大于重力時(shí)，飛行器將會(huì)脫離地面，根據(jù)牛頓第二定律中物體加速度跟質(zhì)量與受力的關(guān)系，四軸飛行器將會(huì)得到一個(gè)向上的加速度使得飛行器在垂直方向上運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越快，但是當(dāng)飛行器脫離地面后，當(dāng)升力與重力相等時(shí)，飛行器將會(huì)保持之前的上升速度做勻速上升。因此四旋翼飛行器通過(guò)改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)和位置控制，然而飛行器由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的差異和環(huán)境影響，若只通過(guò)電機(jī)得到升力來(lái)達(dá)到穩(wěn)定飛行是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以需要加入微型計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2-1 四旋翼飛行器模型

在不計(jì)飛行器的彈性形變和震動(dòng)的情況下，四旋翼飛行器當(dāng)作一個(gè)具有六自由度剛體，并輸出四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。令飛行器相對(duì)于地面坐標(biāo)系的三個(gè)歐拉角分別為滾動(dòng)角、俯仰角、偏航角，因此地面坐標(biāo)系與剛體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R（推導(dǎo)見(jiàn)4.3章節(jié)）和平移矩陣為T（推導(dǎo)見(jiàn)4.3章節(jié)）

  （2.1）

                   （2.2）

假設(shè)飛行器三個(gè)軸所受的擾動(dòng)，并且飛行器為“X”型，根據(jù)牛頓第二定律有公式（2.3）

                         （2.3）

式中表示飛行器在地面坐標(biāo)系三個(gè)軸上的合力；F表示飛行器四個(gè)旋翼的整體升力大小；R表示從飛行器坐標(biāo)系（剛體坐標(biāo)系）映射到地面坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；表示F在飛行器坐標(biāo)系的方向。再根據(jù)角動(dòng)量定理得到最終的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為：

              （2.4）

                （2.5）

                          （2.6）

              （2.7）

              （2.8）

                     （2.9）

其中，是四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，b為阻力因素；m為飛行器質(zhì)量；g為重力加速度；l為電機(jī)到四旋翼飛行器幾何中心的距離；為螺旋槳繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為各方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為槳葉整體的速度；d為風(fēng)阻系數(shù)。

而在實(shí)際控制中是寫成系統(tǒng)狀態(tài)方程的形式，其中狀態(tài)慣量與控制量輸入可表示為

                   （2.10）

                  （2.11）

四旋翼作為一個(gè)四輸入六輸出的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，只需要控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可以有效的控制飛行器的姿態(tài)，需特別注意的是為了抵消電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩，遵循相鄰電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，對(duì)角電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同的原則。

圖2-2垂直運(yùn)動(dòng)模型圖                      圖2-3前后運(yùn)動(dòng)模型圖

圖2-4左右運(yùn)動(dòng)模型圖                     圖2-5偏航運(yùn)動(dòng)模型圖

在上圖里，電機(jī)1、3做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2、4做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，令正方向?yàn)轱w行器前方。

   在圖2-2中，同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得飛行器的總體升力增大，當(dāng)總的升力大于飛行器重力時(shí)，就能使四旋翼垂直上升；相反，若四個(gè)電機(jī)的速度同時(shí)減小，四旋翼飛行器就能夠垂直向下運(yùn)動(dòng)；因此只有當(dāng)飛行器的升力剛好抵消重力時(shí)才滿足懸停條件。

   在圖2-3中，電機(jī)1、2的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)3、4的轉(zhuǎn)速增加，使得飛行器產(chǎn)生向前的傾斜，對(duì)此姿態(tài)進(jìn)行受力分析如圖2-6，F(xiàn)為四旋翼槳葉產(chǎn)生的合力，為四旋翼的俯仰角，忽略空氣阻力，將F沿著水平方向和豎直方向進(jìn)行分解后，豎直方向的力為F*cos，為避免垂直運(yùn)動(dòng)F*cos=mg；在水平方向的分力為F*sin，因此會(huì)飛行器會(huì)向水平方向運(yùn)動(dòng)。

圖2-6 受力分析圖

在圖2-4中，電機(jī)2、3的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)1、4的轉(zhuǎn)速增加，使得飛行器的橫滾角發(fā)生改變，與圖2-6類似，飛行器的升力在側(cè)向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)水平分力，因此飛行器對(duì)發(fā)生左右運(yùn)動(dòng)。

在圖2-5中，電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)2、4轉(zhuǎn)速減小，使得兩個(gè)方向力矩不平衡，讓飛行器自旋，從而引起四旋翼飛行器的頭部方位發(fā)生改變，為了使飛行器升力與重力平衡，電機(jī)1、3轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)需減少另外兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在圖2-3、2-4中表明，可以通過(guò)姿態(tài)控制來(lái)控制飛行器的水平位置變化，然而位置變化量取決于四旋翼飛行器的俯仰角，橫滾角的大小和持續(xù)時(shí)間。以前進(jìn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生位置改變?yōu)槔�進(jìn)行說(shuō)明，在發(fā)生前進(jìn)運(yùn)動(dòng)是飛行器的高度保持不變，初始狀態(tài)為懸停（水平方向速度為0），在圖2-6中進(jìn)行受力分析后便可以的到飛行器的加速度值，值可以通過(guò)陀螺儀測(cè)得，再根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的位移值s求解到水平飛行時(shí)間，在加速飛行過(guò)后由于飛行器慣性存在減速過(guò)程產(chǎn)生的位移量，在此忽略不計(jì)，飛行器過(guò)程中受到空氣阻力也忽略不計(jì)。因此可以通過(guò)設(shè)定的位置量來(lái)使飛行器到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

本章節(jié)完成了四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模，分別對(duì)飛行器的上升運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行模型分析，得到針對(duì)不同姿態(tài)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)，并對(duì)位置控制進(jìn)行受力分析及理論闡述。

方案一：做微型飛行器，其優(yōu)點(diǎn)是重量輕，耗電少，一般手機(jī)電池都能夠驅(qū)動(dòng)，易于調(diào)試，危險(xiǎn)性低，可以用飛控板搭建，很大程度的減少了開(kāi)發(fā)周期，但是有致命的缺點(diǎn)抗由于重量輕抗干擾能力弱，載重能力低，一般只用于單純的飛行，用途較少。

方案二：做小型飛行器，其優(yōu)點(diǎn)在于防干擾能力強(qiáng)，具有一定的載重能力，因此用途比較廣泛，但是有重量大、耗電高、電機(jī)轉(zhuǎn)速快、不易調(diào)試、危險(xiǎn)性高的缺點(diǎn)。

方案確定：飛行器之所以能夠迅速發(fā)展，就是因?yàn)橛猛緩V泛，涉及的領(lǐng)域多，單純的飛行并沒(méi)有多大使用價(jià)值，因此決定采用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3-1 總體結(jié)構(gòu)圖

圖3-2 總體電路圖

電池：為整個(gè)飛行器提供電能。

電源轉(zhuǎn)化模塊：內(nèi)含無(wú)線繼電器開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)飛行器是否供電，同時(shí)有DC-DC模塊，為控制器和各個(gè)單元模塊供電。

按鍵輸入模塊：方便在線調(diào)試，以及設(shè)置位置坐標(biāo)。

姿態(tài)檢測(cè)模塊：采用六軸傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器的加速度數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波算法得到穩(wěn)定準(zhǔn)確的姿態(tài)角。

高度檢測(cè)模塊：獲得飛行器的距離地面高度數(shù)據(jù)。

無(wú)線接收模塊：配合遙控器使用接收遙控器傳輸過(guò)來(lái)的油門、俯仰、橫滾、偏航等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示模塊：配合鍵盤設(shè)置目的坐標(biāo)，同時(shí)能夠在調(diào)試時(shí)顯示重要數(shù)據(jù)值。

電子調(diào)速器：將主控輸出的PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形轉(zhuǎn)化成電機(jī)實(shí)際的輸入電壓，相當(dāng)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

1.電池

雖然電池容量大，但是電池重量較重。鋰電池是同樣電池容量中最輕的、起飛效率最高的，綜合考慮到整體飛行器的重量和續(xù)航，采用鋰電池型號(hào)為2200mah、35C、3S如圖3-3。

2200mah表示電池容量，如果該容量電池以2200ma放電，可以持續(xù)放電1小時(shí)，若以1000ma放電可持續(xù)放電2.2小時(shí)；

3S表示電池節(jié)數(shù)，鋰電池一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7V，3S就有11.1V；

35C代表電池的放電能力，這是普通鋰電池和動(dòng)力鋰電池的重要區(qū)別，動(dòng)力鋰電池需要很大的電流放電，這個(gè)放電能力就用              C來(lái)表示，如果電池是1000mah、10C，那么得出電池的放電電流可以為1000*10mh，若低C電池大電流放電會(huì)損壞電池甚至自燃。

圖3-3 電池實(shí)物

2.降壓電路

圖3-4 降壓電路圖

降壓電路由兩部分組成，第一部分為無(wú)線繼電器開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)飛行器的供電。第二部分為降壓，將電池電壓降到適合各個(gè)模塊正常工作的電壓值（5V）。

（1）為了控制四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中的安全，防止意外事故發(fā)生加入了直流單路遙控開(kāi)關(guān)繼電器如圖3-5。

圖3-5 12V直流單路遙控開(kāi)關(guān)繼電器實(shí)物

（2）由于電池輸出的電壓在11-12.6V之間，無(wú)法直接給主控芯片和各個(gè)模塊電路供電，因此需用DC-DC降壓模塊將電池電壓降到5V，降壓模塊如圖3-6，該模塊輸入電壓3-40V，調(diào)節(jié)電位器改變輸出電壓，輸出功率高達(dá)10W。

圖3-6 LM2596直流降壓模塊實(shí)物

圖3-7 按鍵顯示電路圖

1. 由于在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要調(diào)試PID參數(shù)和設(shè)置位置信息，因此加入了五個(gè)按鍵進(jìn)行更改值，方便調(diào)試。如圖3-8最右方按鍵是增加數(shù)值，最左方按鍵時(shí)減小數(shù)值，上方和下方按鍵用來(lái)切換更改的變量，中間是確認(rèn)鍵。

圖3-8 按鍵模塊實(shí)物

2. 顯示部分采用oled12864顯示，其優(yōu)點(diǎn)重量輕，體積小，分辨率高，較TFT屏幕比較廉價(jià)，通信方式為SPI。顯示屏如圖3-9。

圖3-9 oled顯示屏實(shí)物

選用的MCU為ST公司的stm32f407zgt6如圖3-10。

圖3-10 stm32f407zgt6最小系統(tǒng)

圖3-11 姿態(tài)檢測(cè)電路圖

姿態(tài)檢測(cè)采用常用的mpu-6050傳感器，它整合了陀螺儀、加速度傳感器處理組件，相對(duì)于其它多組件方案，消除組合陀螺儀于與加速度時(shí)之軸間差的問(wèn)題，縮小包裝空間，它還含有第二個(gè)IIC端口連接其他加速度、磁力傳感器或其他數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理硬件加速引擎，由主要IIC端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向主控輸出完整的九軸融合演算數(shù)據(jù)�？奢敵鲋袛啵�支持姿態(tài)識(shí)別、搖攝、畫面放大縮小、滾動(dòng)、快速下降中斷、high-G中斷、零動(dòng)作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)等功能。自帶1024字節(jié)FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。InvenSence的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供架構(gòu)的API。Mpu-6050的角速度全格感測(cè)范圍為，，，/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速和慢速動(dòng)作，并且可以用程序控制加速度全格感測(cè)范圍為，，和，并且它可在不同電壓下工作。模塊實(shí)物如圖3-12。

圖3-12 MPU-6050實(shí)物

圖3-13 高度檢測(cè)電路圖

高度檢測(cè)方案主要有以下三種：通過(guò)氣壓計(jì)檢測(cè)，它的檢測(cè)高度范圍大，但是精度不高，并且螺旋槳產(chǎn)生的氣流影響氣壓計(jì)；通過(guò)紅外線檢測(cè)，精度高，檢測(cè)的高度有限，價(jià)格昂貴，并且會(huì)對(duì)人體造成傷害；最后就是通過(guò)超聲波檢測(cè)，其方案精度高，檢測(cè)距離有限，不易受外界干擾，對(duì)人體無(wú)害。綜合各個(gè)因素采用超聲波測(cè)距，超聲波模塊如圖3-14。

圖3-14 超聲波模塊實(shí)物

VCC電源，Trig 輸入控制信號(hào)端，Echo 接收端，Gnd 共地。

采用IO觸發(fā)測(cè)距、給trig至少10us的高電平信號(hào)，然后模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波、自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回、就通過(guò)echo端口輸出一段時(shí)間的高電平信號(hào)，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，因此距離=（高電平時(shí)間*聲速*0.5）。

無(wú)線傳輸方案主要有：通過(guò)接收機(jī)數(shù)傳，傳輸距離比較遠(yuǎn)，但需要配套輸出及遙控器，買成套成品價(jià)格比較昂貴；通過(guò)2.4G的nrf24l01+模塊進(jìn)行搭建傳輸系統(tǒng)，造價(jià)低，但是傳輸距離短；通過(guò)WiFi傳輸信號(hào)，可用手機(jī)應(yīng)用作為遙控器，只需要在購(gòu)買WiFi接收模塊，傳輸距離足夠，信號(hào)質(zhì)量好，不易被干擾。綜合各個(gè)因素選擇WiFi無(wú)線傳輸方案。

1. 采用ATK-WIFI-MODULE是ALIENTEK推出的一款百萬(wàn)高清wifi航拍攝像頭模塊，此模塊支持在平板/手機(jī)端 1280*720 分辨率錄像和拍照，以及圖像實(shí)時(shí)回傳。模塊使用也較為簡(jiǎn)單，只需要在主控端配置一個(gè)串口（數(shù)據(jù)格式：波特率19200，一個(gè)起始位，一個(gè)終止位，間隔40MS發(fā)送一次，一次發(fā)送8個(gè)字節(jié)）就能實(shí)現(xiàn)手機(jī)與該模塊的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊如圖3-15，該模塊電路圖如圖3-16

圖3-15 ATK-WIFI-MOUDLE 實(shí)物

圖3-16 WiFi傳輸電路圖

2.采用nrf24l01+模塊進(jìn)行搭建遙控器，nrf24l01+是一款工作在2.4-2.5G通用ISM頻段的單片手法芯片，此模塊包括：頻率發(fā)射器、模式控制器、功率放大器、晶體放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率頻段選取、協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置低的電流功耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為6dBm時(shí)電流為9mA，接收模式為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。支持六通道的數(shù)據(jù)接收。

圖3-17 nrf24l01+模塊實(shí)物

圖3-18 nrf24l01+傳輸電路圖

首先是機(jī)架，機(jī)架是一架飛行器的核心硬件，要求硬度高、質(zhì)量輕、在劇烈震蕩的情況下不易發(fā)生形變，因此采用F330四軸機(jī)架如圖3-19。

圖3-19 機(jī)架實(shí)物

其次是槳葉，要求軸心穩(wěn)定，質(zhì)量輕不易發(fā)生形變，漿的尺寸需與電機(jī)的kv值匹配，一般kv值的無(wú)刷電機(jī)配低尺寸漿葉，但是考慮到機(jī)身的總體重量選擇配大尺寸的槳葉8045。需注意的是高kv值配大尺寸電機(jī)，不宜讓電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在高轉(zhuǎn)速，容易造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大損壞電機(jī)。電機(jī)如圖3-20，槳葉如圖3-21。

圖3-20 電機(jī)實(shí)物

圖3-21 槳葉實(shí)物

最后電子調(diào)速器作為無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，只需要輸入PWM波形就可輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，PWM波形的頻率為50HZ，最大油門為一個(gè)周期里面2MS高電平時(shí)間，最小油門設(shè)置為一個(gè)周期里面1MS的高電平時(shí)間。電子調(diào)速器實(shí)物如圖3-22。

圖3-22 電子調(diào)速器實(shí)物

圖3-23 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.對(duì)于使用WiFi模塊傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用配套的APP使用。首先在手機(jī)端下載相應(yīng)APP然后打開(kāi)飛行器電源啟動(dòng)WiFi模塊（大約在10s左右），接著用手機(jī)連接名字為“minifly”的網(wǎng)絡(luò)，連接成功后打開(kāi)APP可以看到攝像頭畫面，打開(kāi)操作界面時(shí)，數(shù)據(jù)就發(fā)送到WiFi模塊，在設(shè)置中可以切換不同的操作界面。在調(diào)試過(guò)程中主要用APP控制飛行器。

2.對(duì)于用nrf24l01+模塊需要自己搭建遙控器，因此需要用到單片機(jī)來(lái)控制無(wú)線傳輸模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)控制飛行器的數(shù)據(jù)用兩個(gè)雙軸搖桿，搖桿處于不同位置具有不同的電壓值，因此需要將電壓值用單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，再通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送個(gè)飛行器上的接收模塊。雙軸搖桿如圖3-24，遙控器框架如圖3-25，遙控器電路如圖3-26。

圖3-24 雙軸搖桿實(shí)物                       圖3-25 遙控器硬件框圖

圖3-26 遙控器電路圖

本章節(jié)闡述了多種方案優(yōu)缺點(diǎn)，搭建硬件系統(tǒng)框圖和電路原理圖，以及各個(gè)單元電路的選取，分析各個(gè)單元電路的電氣特征。最后完成整體電路的實(shí)物搭建，對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，再上電檢測(cè)，觀察供電情況，各個(gè)模塊都能正常工作。

MDK5是由keil公司發(fā)行的一個(gè)包括C編譯器、鏈接器、宏匯編、庫(kù)管理的強(qiáng)大集成IC開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持多種語(yǔ)言編程，編譯后能夠快速生成執(zhí)行效率較高的匯編代碼，開(kāi)發(fā)環(huán)境支持在線調(diào)試、仿真，支持?jǐn)帱c(diǎn)調(diào)試，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)到程序執(zhí)行過(guò)程中每個(gè)量和內(nèi)存里面數(shù)據(jù)的變化情況，keil公司雖然沒(méi)有發(fā)布中文的開(kāi)發(fā)環(huán)境，但keil系列的產(chǎn)品一直是電子類行業(yè)工作人員的常用軟件[7]。

主要使用的程序調(diào)試軟件是“ANO_Tech匿名四軸上位機(jī)_V2.6”，此軟件需在程序中搭配串口程序才能夠?qū)�飛行控制器中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到電腦端的軟件上，再在軟件中連接該端口就能使用。通過(guò)調(diào)試軟件可以觀察飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛行器的歐拉角，同時(shí)有數(shù)據(jù)變化曲線顯示的功能。也可以觀察遙控器的傳輸數(shù)據(jù)是否正常。也能夠在上位機(jī)中設(shè)置相應(yīng)的PID參數(shù)，對(duì)飛行器進(jìn)行測(cè)試，可以看到電機(jī)的實(shí)時(shí)PWM數(shù)據(jù)變化情況。

如圖4-1，程序開(kāi)始先對(duì)所有程序中要用到的中斷優(yōu)先級(jí)、串口配置、定時(shí)器進(jìn)行初始化，然后在對(duì)飛行器重要硬件進(jìn)行檢測(cè)，若硬件有引腳松動(dòng)、脫落等問(wèn)題程序不會(huì)向后執(zhí)行，硬件檢查通過(guò)后就是電機(jī)自檢設(shè)置最大油門和最小油門，在通過(guò)按鍵顯示程序來(lái)設(shè)置目標(biāo)位置的坐標(biāo)，顯示的初始坐標(biāo)為當(dāng)前飛行器的坐標(biāo)。在通過(guò)姿態(tài)檢測(cè)程序獲得飛行器的歐拉角，高度檢測(cè)程序獲得飛行器距離地面的高度，再接收遙控器的控制信號(hào)，通過(guò)控制信號(hào)的不同使飛行器工作在不同的三種狀態(tài)：僅姿態(tài)控制狀態(tài)，定高狀態(tài)，位置控制狀態(tài)。最后執(zhí)行完一次又返回到姿態(tài)檢測(cè)程序中循環(huán)執(zhí)行。

圖4-1 總體程序流程圖

四元數(shù)姿態(tài)解算過(guò)程：

先從一次平面的旋轉(zhuǎn)（繞Z軸）如圖4-2，假如坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度后得到的坐標(biāo)系，在空間中有一矢量，分別在兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)分別為、，因此兩坐標(biāo)關(guān)系如下：

圖4-2 坐標(biāo)系變換關(guān)系圖

      （4.1）

                                    （4.2）

                                                           （4.3）

轉(zhuǎn)換成矩陣表達(dá)形式后為：

                             （4.4）

同理再依次繞Y軸、X軸旋轉(zhuǎn)得到歐拉角方向余弦矩陣：

    （4.5）

       （4.6）

采用與推導(dǎo)歐拉角方向余弦矩陣相同的思路可以得到坐標(biāo)系平移的平移矩陣T:

                                       （4.7）

由于四元數(shù)可表示一個(gè)三維坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系為公式(4.8)[16]

                                （4.8）

其中,表示兩個(gè)四元數(shù)相乘又稱四元數(shù)的格拉斯曼積滿足分配律、結(jié)合律；V1=、V=;

因?yàn)樗脑獢?shù)可逆，需要=1所以||=1； = = = ；根據(jù)四元數(shù)的性質(zhì)有222 -1;= 、= -、= 、= -、= 、= -。

解公式（4.8）得到公式（4.9）

           （4.9）

轉(zhuǎn)換為矩陣表達(dá)形式后為公式（4.10）

     （4.10）

從公式（4.10）中得到四元數(shù)方向余弦矩陣為公式（4.11）

           （4.11）

最后有公式（4.6）和公式（4.11）RT=R1得到四元數(shù)轉(zhuǎn)化成歐拉角公式（4.12）

              （4.12）

設(shè)計(jì)思路：利用模塊自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP: Digital motion processor）硬件加速引擎，通過(guò)IIC接口輸出六軸姿態(tài)融合人演算數(shù)據(jù)，利用DMP可以使用InvenSence公司的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，能夠?qū)⒃�始�?shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化成四元數(shù)[4]。得到四元數(shù)后根據(jù)公式（4.12）計(jì)算出歐拉角。降低了程序開(kāi)發(fā)難度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。程序流程圖如圖4-3.

圖4-3 姿態(tài)檢測(cè)流程圖

初始化IIC接口：在使用MPU-6050時(shí)需要把傳感器的數(shù)據(jù)傳送給控制器，因此需要配置一個(gè)通信接口，這里配置的IIC接口用于數(shù)據(jù)通信。

復(fù)位MPU-6050：由電源管理寄存器1（0x6b）控制。

設(shè)置滿量程范圍：即是設(shè)置角速度傳感器和加速度傳感器的量程范圍，由陀螺儀配置寄存器（0x1b）和加速度傳感器配置寄存器（0x1c）設(shè)置。同時(shí)設(shè)置陀螺儀采樣率，由采樣率分頻寄存器（0x19）控制；設(shè)置數(shù)字低通濾波器，由寄存器（0x1c）控制。

設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘：由電源管理寄存器（0x6b）控制，一般選擇X軸陀螺PLL作為時(shí)鐘源，以獲得更高精度的時(shí)鐘。

使能傳感器：使能角速度傳感器和加速度傳感器，由電源管理寄存器2（0x6c）控制。

程序調(diào)試：把模塊程序編寫完成后，首先是要對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試是采用匿名四軸上位機(jī)軟件，將mpu-6050采集到的角速度、加速度和歐拉角通過(guò)控制器配置的串口發(fā)送到軟件，用三角板實(shí)際測(cè)量傳感器的角度數(shù)據(jù)去對(duì)比傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，觀測(cè)兩者是否吻合，同時(shí)在上位機(jī)中觀察數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)較大的波動(dòng)。若出現(xiàn)誤差需在程序中進(jìn)行角度補(bǔ)償，來(lái)提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

程序流程如圖4-4，使用的超聲波模塊，測(cè)量高電平時(shí)間利用TIM5定時(shí)器的捕獲功能，利用公式（s:高度，單位m；t:時(shí)間，單位s）得到距離[2]�？刂菩盘�(hào)由TIM3定時(shí)器每200ms中斷一次，在中斷中發(fā)出15us的高電平給trig引腳，觸發(fā)TIM5捕獲中斷計(jì)算出高電平的持續(xù)時(shí)間。

測(cè)序測(cè)試：將程序于硬件相結(jié)合，用oled12864顯示測(cè)出的高度值，并將測(cè)量值于實(shí)際值作對(duì)比，觀測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否發(fā)生較大范圍的波動(dòng)。若出現(xiàn)問(wèn)題需更改程序進(jìn)行校正。

圖4-4 高度檢測(cè)流程圖

電機(jī)作為四旋翼飛行器的動(dòng)力來(lái)源，無(wú)刷電機(jī)需要與電子調(diào)速器配合才能夠用單片機(jī)的定時(shí)器輸出不同占空比的PWM來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在上電是需要對(duì)電子調(diào)速器進(jìn)行初始化的程序如圖4-5。

圖4-5 電子調(diào)速器控制流程圖

1.WiFi模塊

程序流程如圖4-6，采用無(wú)線wifi傳輸方案需要配置一個(gè)串口中斷程序，APP中的數(shù)據(jù)每間隔40ms發(fā)送一次，每次發(fā)送八個(gè)字節(jié)。因此通過(guò)串口來(lái)接收WiFi模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的字節(jié)數(shù)據(jù)，再利用中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，篩選出每次發(fā)送的8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

Byte[0]：數(shù)據(jù)頭，固定為0x66；

Byte[1]：副翼：中間值0x80，左邊最大為 0x00,右邊最大為0xff，即在0x00-0x80-0xff線性變化。

Byte[2]：升降舵：中間值0x80，后邊最大為 0x00,前邊最大為0xff，即在0x00-0x80-0xff線性變化。

圖4-6 串口中斷數(shù)據(jù)處理流程圖

Byte[3]：油門：0x00為最小，0xff為最大。

Byte[4]：方向舵：中間值0x80，左轉(zhuǎn)最大為 0x00,右轉(zhuǎn)最大為0xff，即在0x00-0x80-0xff線性變化。

Byte[5]：標(biāo)志位：含定高使能位，含追蹤目的坐標(biāo)使能位。

Byte[6]：校驗(yàn)字節(jié)。

Byte[7]：數(shù)據(jù)尾，固定為0x99。

程序測(cè)試：連接好相應(yīng)的硬件，連接好WiFi，打開(kāi)APP內(nèi)的控制界面，用上位機(jī)觀測(cè)手機(jī)發(fā)送的初始數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確的發(fā)送到主控芯片，再滑動(dòng)油門、姿態(tài)搖桿、觀測(cè)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是否正確，若數(shù)據(jù)未發(fā)送到上位機(jī)，檢查硬件來(lái)連接；若數(shù)據(jù)出錯(cuò)，檢查串口中斷內(nèi)數(shù)據(jù)篩選程序。最終調(diào)試出正確的程序。

2. nrf24l01+模塊

（1）接收機(jī)

圖4-7 nrf24l01+接收程序流程圖

（2）遙控器

程序流程如圖4-8，使用nrf24l01+模塊，不僅需要搭建接收部分，還要自制遙控器，兩者要匹配才能夠使用，nrf24l01+模塊主要是配置spi通信接口來(lái)與主控芯片通信。AD轉(zhuǎn)化主要使用主控芯片內(nèi)部集成的AD 轉(zhuǎn)化器進(jìn)行識(shí)別模擬量，并轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，在AD采樣時(shí)還利用均值濾波來(lái)減小數(shù)據(jù)的誤差。

程序測(cè)試：搭建好接收電路和遙控器電路，接上供電電源，將飛行器上串口與電腦端的上位機(jī)連接。首先觀測(cè)上位機(jī)中出現(xiàn)遙控器的初始數(shù)據(jù)，再撥動(dòng)雙軸搖桿到最大、最小角度，觀察上位機(jī)中的數(shù)據(jù)是與程序中的目標(biāo)數(shù)值吻合，然后緩慢滑動(dòng)搖桿，觀察搖桿數(shù)據(jù)是為線性變化，證明遙控器的數(shù)據(jù)能夠成功的發(fā)送到飛行器的控制器中。

圖4-8 遙控器程序流程圖

PID控制器流程圖如圖4-9，控制器的輸入是期望的俯仰角、橫滾角、航向角、高度這四個(gè)數(shù)據(jù)，姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)是用串級(jí)PID搭建，外環(huán)是控制飛行器的角度，傳感器反饋量是角度數(shù)據(jù)，外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)的反饋是姿態(tài)傳感器的角速度，內(nèi)環(huán)是控制飛行器角度變化快慢的環(huán)節(jié)，增加飛行器的穩(wěn)定性。

對(duì)于姿態(tài)控制使用串級(jí)PID控制相對(duì)于單級(jí)的姿態(tài)PID控制器，有方便調(diào)試、響應(yīng)迅速、輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在通過(guò)高度PID控制閉合回路，實(shí)現(xiàn)在姿態(tài)控制的同時(shí)穩(wěn)定飛行器的高度，若不穩(wěn)定飛行器的飛行高度，飛行器在調(diào)節(jié)姿態(tài)時(shí)可能使得電機(jī)的PWM值低于飛行器正常懸停的油門值，使得飛行器會(huì)出現(xiàn)掉高的現(xiàn)象。PID控制器參數(shù)介紹：P參數(shù)是使系統(tǒng)對(duì)變化量做出快速響應(yīng)，在三個(gè)參數(shù)中對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力是最強(qiáng)的；I參數(shù)是使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確調(diào)到目標(biāo)值；D參數(shù)是控制系統(tǒng)的波動(dòng)，控制系統(tǒng)在目標(biāo)值附近出現(xiàn)波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

程序測(cè)試：對(duì)于此部分模塊程序的測(cè)試，需要用到姿態(tài)檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)、高度檢測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在前面的模塊程序都測(cè)試通過(guò)的情況下才能夠進(jìn)行測(cè)試。由于此部分程序直接影響飛行器的飛行質(zhì)量，將在調(diào)試章節(jié)詳細(xì)講解測(cè)試過(guò)程。

圖4-9 PID控制程序流程圖

簡(jiǎn)要介紹了開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試軟件的使用，搭建軟件系統(tǒng)的流程圖，以及介紹重要模塊程序的流程，結(jié)合硬件測(cè)試各個(gè)模塊程序的功能，證明各個(gè)硬件模塊結(jié)合軟件能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)模塊的功能。最后聯(lián)合模塊程序進(jìn)行系統(tǒng)綜合測(cè)試，觀察各個(gè)關(guān)鍵量的變化情況，完成程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于姿態(tài)PID是采用串級(jí)的思路，在調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)需要先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)參數(shù)再調(diào)整外環(huán)參數(shù)。對(duì)于質(zhì)量分布對(duì)稱的四旋翼飛行器，理論上它的俯仰角和橫滾角的PID控制參數(shù)是相同的，所以在搭建實(shí)物時(shí)盡量讓四旋翼的重心在模型的幾何中心，這樣有利于調(diào)試，若重心與幾何中心偏離很遠(yuǎn)，不僅需要多調(diào)節(jié)一個(gè)軸的PID參數(shù)，還會(huì)導(dǎo)致重心偏向側(cè)的電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于較高速旋轉(zhuǎn)，容易引起電機(jī)損壞。

在調(diào)節(jié)姿態(tài)PID前，需要飛行器脫離地面，才能進(jìn)行姿態(tài)觀測(cè)，因此需要估計(jì)飛行器的大致起飛油門。

首先將外環(huán)所有參數(shù)置零，將打舵量作為內(nèi)環(huán)的期望，加上內(nèi)環(huán)P參數(shù)，如果P太小，表現(xiàn)為不能修正角速度誤差，不能夠調(diào)節(jié)傾斜的情況，如果P值過(guò)大，便會(huì)引起飛行器的震蕩，該震蕩強(qiáng)烈時(shí)會(huì)引起飛行器無(wú)法正常起飛。因此在調(diào)節(jié)P參數(shù)時(shí)一般從小到達(dá)改變，依次觀察飛行器的擺動(dòng)情況，合適的P值就是能夠根據(jù)打舵量快速做出反應(yīng)，同時(shí)又不會(huì)太震蕩。

P參數(shù)調(diào)到合適后，系統(tǒng)可能不會(huì)在目標(biāo)位置震蕩，此時(shí)加上I參數(shù)，I參數(shù)的作用就是使系統(tǒng)能夠到達(dá)目標(biāo)值附近，大的I值會(huì)使得系統(tǒng)在高于目標(biāo)值的區(qū)域發(fā)生輕微震蕩，過(guò)小的I值，會(huì)使得系統(tǒng)響應(yīng)慢穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，因此合適的I值使讓系統(tǒng)在我們預(yù)想的目標(biāo)值附近。

對(duì)于飛行器姿態(tài)在期望角度發(fā)生震蕩的情況，就需要系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的姿態(tài)趨勢(shì)，來(lái)減小震蕩，因此加入D參數(shù)，D參數(shù)的使用會(huì)使得飛行器姿態(tài)不會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，看上去飛行器十分的穩(wěn)定。

然后就是在已有的內(nèi)環(huán)參數(shù)上調(diào)節(jié)外環(huán)參數(shù)，外環(huán)就是給系統(tǒng)輸入一個(gè)期望的姿態(tài)角度，在通過(guò)外環(huán)PID控制，將飛行器穩(wěn)定在期望的姿態(tài)角度。對(duì)于外環(huán)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，由于飛行器的姿態(tài)角并非水平，飛行器會(huì)隨著搖桿的方向發(fā)生水平移動(dòng)，因此采用“烤四軸”的方案如圖5-1，對(duì)每個(gè)軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過(guò)程與內(nèi)環(huán)相同，觀測(cè)飛行器在期望角度的飛行情況。在分別調(diào)整好三個(gè)軸的PID參數(shù)后，由于每個(gè)軸之間存在魯棒性，每個(gè)軸的參數(shù)之間會(huì)相互影響，因此需要三個(gè)軸一起調(diào)節(jié)如圖5-2。最終調(diào)試出適合飛行的所有PID參數(shù)。

圖5-1 “烤四軸”調(diào)試方案圖

圖5-2 整體調(diào)試圖

調(diào)節(jié)高度PID時(shí)需要將油門加大到飛行器能夠脫離地面，打開(kāi)遙控器的定高按鈕，再來(lái)觀察飛行器的高度變化。

首先調(diào)節(jié)P參數(shù)，將I、D參數(shù)置零，在程序調(diào)試時(shí)，在程序內(nèi)部設(shè)置目標(biāo)高度為50cm。P參數(shù)從小到大調(diào)整，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，若出現(xiàn)飛行器偏離目標(biāo)高度較遠(yuǎn)，飛行器也沒(méi)有明顯的上升下降趨勢(shì)的情況，此時(shí)說(shuō)明P參數(shù)過(guò)小調(diào)節(jié)力度不夠。若出現(xiàn)飛行器高度震蕩范圍越來(lái)越大，說(shuō)明P值過(guò)大，引起系統(tǒng)發(fā)散，合適大小的P值是當(dāng)飛行器偏離目標(biāo)高度較遠(yuǎn)時(shí)，飛行器能夠迅速反應(yīng)上升或者下降，同時(shí)在一定高度范圍內(nèi)震蕩。

然后確定I參數(shù)，使飛行器能夠調(diào)節(jié)的目標(biāo)高度，若飛行器很久才穩(wěn)定在目標(biāo)高度，說(shuō)明I參數(shù)值過(guò)小，若飛行器出現(xiàn)較小幅度震蕩，說(shuō)明I參數(shù)過(guò)大，因此合適的I參數(shù)就是使得飛行器能夠調(diào)整到目的高度。

最后確定D參數(shù)增加高度控制的穩(wěn)定性，該值從小到大依次調(diào)試，合適大小的D值使得飛行器在目標(biāo)高度十分穩(wěn)定。

用油門控制飛行器脫離地面，開(kāi)啟定高模式，再按下位置鍵進(jìn)行位置控制。由于位置控制是結(jié)合姿態(tài)控制的持續(xù)時(shí)間來(lái)控制飛行器水平移動(dòng)的距離，因此在固定的俯仰角、橫滾角下進(jìn)行位置移動(dòng)，在調(diào)節(jié)的過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際距離修改控制程序中的循環(huán)次數(shù)。

先調(diào)整水平方向的位置控制程序，固定飛行器的目標(biāo)飛行距離，根據(jù)實(shí)際飛行距離調(diào)整相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。然后改變目標(biāo)具體，觀測(cè)實(shí)際飛行距離是否準(zhǔn)確，若有誤差，微調(diào)循環(huán)次數(shù)即可

后調(diào)節(jié)高度控制，調(diào)節(jié)步驟與水平位置調(diào)節(jié)類似。

最后將兩個(gè)環(huán)節(jié)相結(jié)合，在程序中飛行器先是水平位置控制，再是高度控制。

經(jīng)過(guò)對(duì)串級(jí)姿態(tài)PID參數(shù)的整定，得到表5-1和表5-2數(shù)據(jù)對(duì)飛行器的姿態(tài)控制起到很明顯的作用，能夠有效的控制飛行器的飛行姿態(tài)如圖5-3、5-4、5-5、5-6、5-7、5-8、5-9、5-10、5-11、5-12，而對(duì)于單級(jí)PID控制的高度環(huán)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)到期望高度，但是在期望高度附近有明顯的波動(dòng)。位置控制環(huán)節(jié)受高度環(huán)的影響，位置控制上還存在一定誤差，若高度控制環(huán)調(diào)好，位置控制誤差將能夠有效降低。

表5-1 姿態(tài)外環(huán)PI參數(shù)表

表5-1 姿態(tài)內(nèi)環(huán)PD參數(shù)表

圖5-3 三軸加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-3中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，單位分別是、。

圖5-4  X軸加速度數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-4中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是X加速度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16384倍，單位是。

圖5-5  Y軸加速度數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-5中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是Y加速度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16384倍，單位是。

圖5-6  Z軸加速度數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-6中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是Z加速度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16384倍，單位是。

圖5-7  X軸陀螺儀數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-7中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是X陀螺儀數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16.4倍，單位是。

圖5-8  Y軸陀螺儀數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-8中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是Y陀螺儀數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16.4倍，單位是。

圖5-9  Z軸陀螺儀數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-9中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是Z陀螺儀數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了16.4倍，單位是。

圖5-10 橫滾數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-10中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是橫滾角度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍，單位是度。

圖5-11  俯仰數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-11中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是俯仰角度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍，單位是度。

圖5-12 偏航數(shù)據(jù)曲線圖

在圖5-12中，橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位是，時(shí)間數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍；縱坐標(biāo)是偏航角度數(shù)據(jù)被擴(kuò)大了100倍，單位是度。

從圖5-10、5-11、5-12中可以看出飛行器在自穩(wěn)狀態(tài)下，俯仰角和橫滾角都控制很好，曲線都在零度上。然而偏航角度控制曲線離零度漸漸變遠(yuǎn)，可見(jiàn)飛行器存在緩慢的自旋，方向都是逆時(shí)針。因此在飛行器的姿態(tài)控制器中偏航角控制還存在一定的誤差。

在實(shí)際測(cè)試程序的過(guò)程中，出現(xiàn)WiFi模塊的初始數(shù)據(jù)小概率被干擾，以至于在初始化飛行器后，準(zhǔn)備起飛前，飛行器會(huì)出現(xiàn)失控。

解決方案：飛行器失控是出現(xiàn)在加入無(wú)線繼電器開(kāi)關(guān)后出現(xiàn)，但無(wú)線繼電器的品那段處于315M，WiFi傳輸頻段在2.4G，從理論上來(lái)講兩個(gè)頻段的信號(hào)是不會(huì)發(fā)生干擾，因此便在程序中進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)入起飛前加入WiFi初始數(shù)據(jù)判定函數(shù)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行攔截，只有當(dāng)遙控器的初始數(shù)據(jù)發(fā)送到飛行器上才進(jìn)入起飛就緒階段。這樣就能夠兼并使用無(wú)線繼電器模塊，又能確保不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

將主控板安裝在機(jī)架上，由于電機(jī)的劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)架的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得電路板上的震動(dòng)十分劇烈，對(duì)MPU-6050姿態(tài)傳感器的影響較大。

解決方案：用泡沫膠連接電路板與機(jī)架，能夠避免電路板與機(jī)架的直接接觸，通過(guò)泡沫膠將機(jī)架的震動(dòng)抵消掉一部分，有效的減小MPU-6050上的震動(dòng)。

在加入按鍵顯示程序后，某些電機(jī)無(wú)法自檢，影響正常的轉(zhuǎn)動(dòng)。

解決方案：自檢失敗的電機(jī)是隨機(jī)的、不固定，最初認(rèn)為是電子調(diào)速器的控制線未連接好，但是很少出現(xiàn)四個(gè)電機(jī)完全自檢通過(guò)的情況。因此考慮到程序結(jié)構(gòu)問(wèn)題，去掉按鍵顯示程序后，四個(gè)電機(jī)都能夠成功自檢，將按鍵顯示程序放在電機(jī)自檢程序后也能避免這個(gè)問(wèn)題，因此更改程序初始化順序就能解決。

飛行器在油門的驅(qū)動(dòng)下能夠平穩(wěn)的脫離地面，但是在穩(wěn)定油門后飛行器總是朝某一方向移動(dòng)，無(wú)法比較好的穩(wěn)定在初始位置。

解決方案：檢查飛行器的初始角度俯仰角0度、橫滾角0度、航向角0度，都屬于正常值；檢查遙控器的姿態(tài)數(shù)據(jù)也都是中值數(shù)據(jù)，所以在程序中的數(shù)據(jù)并未發(fā)現(xiàn)異常。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)飄逸的飛行器可以通過(guò)遙控器輸入姿態(tài)來(lái)矯正，因此對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效的避免飛行器的明顯飄移。

在飛行器最初測(cè)試中，油門滑桿太過(guò)靈敏，不利于控制飛行器的起飛油門。

解決方案：這個(gè)問(wèn)題源于自己使用的電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，槳葉較大造成，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速是飛行器也能夠獲得較大的升力，在實(shí)際測(cè)試中，滑桿在油門的四分之一處就能飛離地面，因此為降低油門的靈敏度，把[1000-2000]的油門范圍只利用[1000-1500]。便能夠很好的控制起飛、降落。

如圖5-13是自制的遙控器，需要外接USB供電，左邊搖桿是方向控制，右邊搖桿是油門、航向角控制。四旋翼飛行器如圖5-14，將所有的電路布局在一塊洞洞板，只需要接上電池和給電子調(diào)速器供電就能使飛行器正常工作，洞洞板上的立桿是用來(lái)輔助調(diào)試。

圖5-13 遙控器實(shí)物圖

圖5-14 飛行器實(shí)物圖

本章介紹了四旋翼飛行器的實(shí)物調(diào)試過(guò)程及最終調(diào)試結(jié)果，調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方案，證明通過(guò)本文的設(shè)計(jì)思路結(jié)合調(diào)試過(guò)程是能夠完成四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。

由于飛行器是一個(gè)比較大的系統(tǒng)，在硬件選取時(shí)需要仔細(xì)考慮硬件配套的問(wèn)題，特別是電池、電子調(diào)速器、電機(jī)、槳葉的型號(hào)組合，這部分與控制部分無(wú)關(guān)，若型號(hào)選取不好很容易導(dǎo)致硬件燒毀。然后就是飛行器上控制部分硬件電路，這部分設(shè)計(jì)需要結(jié)合軟件設(shè)計(jì)來(lái)搭建各個(gè)模塊的硬件電路，通過(guò)軟硬件聯(lián)合測(cè)試各個(gè)模塊的功能。完成整體軟硬件的設(shè)計(jì)。
在此次飛行器的設(shè)計(jì)中最重要的是控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)于姿態(tài)控制的設(shè)計(jì)采用串級(jí)PID的架構(gòu)，通過(guò)實(shí)際實(shí)物的制作、調(diào)試，證明通過(guò)這種架構(gòu)不僅調(diào)試方便，而且控制器的輸出比較穩(wěn)定的姿態(tài)，因此采用串級(jí)PID的姿態(tài)控制策略是可行的。對(duì)于高度控制器采用單極PID設(shè)計(jì)思路，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中單級(jí)PID確實(shí)不好調(diào)試，較串級(jí)的PID需要花更多的時(shí)間去整定PID參數(shù)，而對(duì)于輸出也能達(dá)到較好的穩(wěn)定效果。對(duì)于位置控制，由于未使用光流元件進(jìn)行定位，飛行器不能建立自己的位置坐標(biāo)系，亦無(wú)法將位置控制做成閉環(huán)，而對(duì)于自己設(shè)計(jì)的方案，只是開(kāi)環(huán)控制飛行器的大概位置，調(diào)試過(guò)程也相對(duì)閉環(huán)簡(jiǎn)單，但是開(kāi)環(huán)下若只是單純的位置改變，也還是能獲得不錯(cuò)的控制效果。
在本設(shè)計(jì)中還有很多地方值得完善，高度PID還不能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確的將飛行器高度控制在期望高度，若將高度PID調(diào)試好，便能有效的控制飛行器的高度，并且飛行器不會(huì)掉高，就能夠?qū)崿F(xiàn)懸停的功能。在位置控制上也存在很大的誤差，飛行器不能夠感知外界的障礙物，若將位置控制器作成閉環(huán)系統(tǒng)，就能夠有效準(zhǔn)確的控制飛行器的位置，再結(jié)合蔽障等功能就能實(shí)現(xiàn)脫離遙控器完全意義上的自主飛行。還有采用的WiFi無(wú)線傳輸方案距離小，飛行器的可操作范圍不高，飛行器中也未做自動(dòng)返航的功能，因此容易發(fā)生墜機(jī)。用手機(jī)APP控制飛行器較用手炳控制飛行器的難度更高，用手機(jī)控制時(shí)感覺(jué)不到搖桿的具體偏離程度，在實(shí)際操作中還需要一邊觀測(cè)手機(jī)一邊觀察飛行器，還不能夠做到很好的操作飛行器。
相信未來(lái)的飛行器，無(wú)論從材料、做工、結(jié)構(gòu)上都會(huì)更加成熟，更加有利于飛行器的飛行控制，抗干擾能力、負(fù)重能力越來(lái)越強(qiáng)，更能適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下工作。隨著傳感器的精度越高，飛行器在姿態(tài)控制和位置控制上的穩(wěn)定性能越好、誤差也越小。同時(shí)隨著電池行業(yè)的進(jìn)步，四旋翼飛行器的續(xù)航能力也會(huì)更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)更久的作業(yè)時(shí)間。

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2021-3-5 22:12 上傳

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