四轴飞行器设计毕业设计(编辑修改稿)

四轴飞行器设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

点图 ADXL345 I2C 总线接线图 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 就是有 32 级 FIFO 缓存，存储了就近时间内 32 组三轴加速度数据。 所以接收机不需要发指令完成转换等操作，大大减轻了接收机的工作负担。 芯片采用 14 引脚封装，具体引脚安排和基本工作外部接线图可从网上搜索，本文不赘述。 本设计采用 ADXL345 推荐的 IIC 总线通信模式传递传感数据到 AVR 中。 连接方式如图 所示，按此接法，其硬件物理地址为 53H，和标准 IIC 总线通信协议相同。 在芯片接入时，首先需要初始化，利用芯片 INT1 引脚控制给出数据为地址数据还是直接数据，初始化时，给芯片 31H 寄存器（ DATA_FORMAT）写入数据 0BH 表示设置量程为 g16 以及工作在 13位数据格式。 给 2DH 寄存器（ POWER_CTL）写入数据 08H，表示开始数据转换。 给 2EH 寄存器（ INT_ENABLE）写入数据 80H 表示时能中断 DATA_READY。 设置好后，在每一次芯片内部数据寄存器数据更新时给中断信号，表示数据转换结束，主机可读取数据信息。 三轴的加速度数据信息为 16 为浮点型数据，数据格式如图 所示，数据没 1 LSB 表 示。 三轴陀螺仪 概述 陀螺仪也是对于飞行器的旋转的位置测量的传感器，很人有这样的疑问，为什么加入了加速度计之后还要加入三轴陀螺仪。 有人认为加速度计输出结果做两次积分就可以获得旋转角度，而姿态数据就是三轴的偏转角度，所以就是用加速度计就足够了。 而且陀螺仪也只是输出角速度，通过加速度计积分一次就可以得到。 起问题关键就在于加速度计的致命缺点上，对于加速度计来说，敏感性（能感知最小加速度极限）、精确性是矛盾的，如果追求敏感输出那么噪声大，真是信息滤波困难，反之亦然。 在四旋翼这个高度不稳定的机械系统 中，电机转速的一点点不平衡都会引起倾斜和绕 Z轴转动。 实时性要求高就必然要求加速度计要工作在敏感区，如果只用加速度将完全无法满足要求。 图 ADXL345 数据格式 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 10 10 如果让两者配合，就能实现反应灵敏又纯净的输出信号。 传感器原理 首先，必须意识到，虽然陀螺仪是测量输出速度的，但是角速度传感器不一定就是陀螺仪。 陀螺仪的依据就是陀螺原理：一个高速旋转物体的旋转轴具有惯性，它的旋转轴永远指向一个方向不变，就如陀螺一般在高速旋转时可以永远指向地面保持垂直。 如果设法对一个转动的转子垂直于其转轴施加冲击，这个冲击会使转子产生新动量使之旋转轴偏转。 冲击 还使转子轴的方向产生同一数量级的改变，但新的角速度方向已和新的动量矩方向不一致。 冲击后，转子轴将紧靠新动量矩 L+△ L的方向作微幅高频的抖动（就好似自身旋转的同时又绕原旋转轴旋转），其幅度与ω成反比，而频率则与ω成正比。 由于ω很大，这种抖动实际上是不易察觉的，所以可认为冲击并未明显改变转子轴的方向，即高速自转均衡陀螺仪的转子轴具有抗冲击的能力，这种特性称为定轴性。 但是，如果转子没有自转，那么任何微小冲击将使转子轴获得角速度，而此后将按这个方向无限制地偏离下去。 在应用中，我们只要检查设置好的旋转轴的指向就能知 道我们自身有没有发生偏转，而这个偏转角也能由其旋转轴指向给出。 这就是陀螺仪的原理。 但在实际应用中不可能让一个转子保持在每秒几万转的飞速旋转条件下，所以实际的陀螺仪并不是真的有转子在其中，而是利用科里奥利原理设计出来的。 科里奥利提出刚体旋转时的存在一个假想力（后世均称之为科里奥利力）。 他提出的模型效应是：正如我们所见，在一个旋转盘上不同半径位置的线速度不同，当物体从盘心沿径向向外运动时起对地线速度在增加，根据牛顿第一定律，没有外力的作用速度就不会发生变化的道理，那么线速度的增加就应该存在一个这样的力的作用，这 就是他提出的假象力。 这个力迫使径向运动的物体线速度增加，所以沿径向移动的速度决定了这个力的大小即为 vMf 2。 实际陀螺仪的测量原理就是利用科里奥利效应设计的，这个在上文假设的转盘就是被测的刚体，其沿自转轴旋转。 而陀螺仪中有沿轴向设计两组电容板，一组电容板驱动物体沿径向运动，这个物体的运动引起横向电容板的容值发生变化（按科里奥利效应，也就是科里奥利力的分析，在有角速度时，物体会有切向位移，位移引起容值变化）。 通过测量容值变化就可以分析 出科里奥利力的大小，这个力的大小和角速度成正比关系，就可以按如上公式计算出角速度而且线性度极好。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 本设计中，传感器选择 ITG3200，采用如上原理设计。 ITG3200 ITG3200 是由 InvenSense 公式设计制造的芯片，输出采用标准 IIC 总线协议，由 SCL 和 SDA 引脚传递数据。 该芯片不需要初始化，只需要在呼叫时使用标准协议的模式，传输地址信息并查询应答即可，又由于 AVR 自带有 IIC 总线引脚，只需要自己初始化设置即可。 三轴磁场传感器 传感器原理 既然是九轴数据融合，除了三轴加速度计、三轴 陀螺仪以外还有另外三轴就是地磁场传感器。 加入的目的不言而喻，在初始化 GPS 坐标之后，只要用这三个传感器的数据就可以得出目前所在 GPS 坐标，甚至不需要如 GPS 仪一般频繁搜索卫星（下文简称搜星）应答获取精确位置。 如果许多智能产品，最典型的如智能手机，在有房屋遮挡位置，也就是不能搜星的位置也能精确定位坐标的原理就是采用九轴的数据融合技术。 如前文所言，三轴加速度计输出三个轴向的加速度，陀螺输出角度，而地磁场就是直接输出角度。 对于地磁传感器而言，目前采用的工作原理有：磁阻效应、霍尔效应、电磁感应、 AMR 相异性磁 力阻抗感应、巨磁效应（本文不再逐一介绍）。 本设计采用芯片 HMC5883LSMD，采用磁阻效应设计。 磁阻效应：载流子的运动必须要求有电动势也就是导体内的电场力作用才能移动，当存在磁场时，由于洛伦兹力的作用发生偏转（类似霍尔效应），在达到稳态时，某 — 速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。 这种偏转导致载流子的漂移路径增加。 或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。 这种现象称为磁阻效应。 本章小结 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 12 12 本章主要介绍了在四轴飞行器中所用的传感器的大概原理和传感器的选择。 事实上，由于四轴飞行器的火热，它的姿态传感器层出不穷，而最为著名和被广泛应该的就是 MPU6050，内部集成了本章介绍的三个传感器外，并以 STM32 作为微处理器，集成有气压计，可以用于根据不同高度的大气压力不同测算出目前的高度 ,内部自带有 GPS 算法，能直接给出地理坐标。 但价格昂贵，笔者在做比赛时使用过，非常好用，而且数据稳定，几乎没有噪声，笔者在此推荐。 为了节约本次设计的成本，本次设计，采用以 AVR 为内核的集成芯片 9DOF IMU，想比较而言，仅仅只是在附加功能上有差别，没有高度测量和 GPS 数据。 利用传感器的 AVR 串口直接输出数据，用 YPR=的 ASCⅡ码作为开始标志位，以逗号的 ASCⅡ码为分隔帧。 输出数据为浮点数据，每一个角度由若干个八位数据构成，且全部采用 ASCⅡ码，中间用 2EH 表示浮点，可按 ASCⅡ重装回为浮点数据，结束时附上 0DH 和 0AH。 用串口调试程序获得的数据如图 所示。 式 Z轴数据融合了地磁场数据，正西方是为 0。 这和 MPU6050 并不相同，后者只输出三轴方向上的偏移角度，再开机时自动校准了水 平位置，把地磁数据做成GPS 输出。 而这个传感器并不是校准水平，而是直接根据地磁数据，输出目前传感器所在位置的三轴角度。 图 用串口调试程序在 PC 上接收的传感数据 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 第 4章 飞行器模型分析 概述 飞行器飞行原理 四旋翼飞行器，由十字型机架和四组旋桨电机组合构成。 和直升机的上升原理相同，旋桨的旋转迫使空气加速向下流动，由于空气被气旋作用，飞行器守反作用力而产生拉力。 当四轴旋翼作用力平衡且拉力大于飞行器自身重力时，飞行器加速上升同理可以完全悬停和下降。 除了上升了下降以外，因为螺旋桨在旋转时将空气往下推动的同时还有水平方向的冲量（最终形成 的是气旋往下），致使也会在水平方向产生扭矩，这股力的方向和旋转方向有关。 扭矩的作用使得飞行器有了绕中心旋转的加速度，也就是在 Z轴方向的一个自由度。 为了保证在正常情况下飞行器稳定悬浮在空气中，多旋翼的轴数一般都设计为偶数。 让其中一组正转产生升力，另一组反转产生升力，这样就用一组去抵消另一组旋翼的扭矩，保持不会自身旋转。 基于此，四轴飞行器想要悬停，必须要求四个旋翼的上拉力量之和等于自身重力，并且有一组旋翼（一般设置对线上的两个为一组）正转，另一组反转。 而前进、后退、侧飞三个动作都是利用螺旋桨的升力差，使飞行 器倾斜，在倾斜时，飞行器受重力作用分解出水辽宁石油化工大学继续教育学院论文 14 14 平方向的加速度，形成前进、后退、侧飞两个动作。 在一般性研究中，我们一般要求飞行器四个电机旋转速度相同、提供上升加速后到达预定位置然后四个电机同时下降转速变为升力和等于重力、正副对角线上的电机旋转不同方向但相同转速完成悬停之后再按要求改变电机转速完成其他运动。 四轴飞行器模型建立办法 四轴飞行器的飞行动力，来源于螺旋桨的旋转所带来的空气流动，受其反作用的影响产生上升的力（这个力的分析详参文献 【 2】 ）。 文献中将这一个力的作用用动量来分析，直接得到飞行器所获得的反作用 力，来用分析的速度也就叫诱导速度（它专指通过桨盘时的气流速度，下文用 1v 表示） 【 2】。 在本设计中，想建立四轴飞行器的模型结构，获得在一定范围下的线性模型，既而讨论算法。 而对于飞行器的模型建立，其实质上将是一种刚体转动和平动的模型。 在分析时，首先建立出力和螺旋桨转速的关系，并集总分析施加在飞行器上的力的方向等。 然后利用力学原理，建立运动方程即可。 力或力矩与螺旋桨的关系 螺旋桨模型的分析属于空气动力学模型，要求方法有动量理论 、叶素理论、涡流理论等。 本文参考文献 【 3】 的研究办法，利用动量理论和叶素理论分析。 首先使用动量理论分析诱导速度和力直接的关系，而诱导速度是升力、扭矩、阻力、侧向力矩四个力的共同作用结果，但本文叙述时，首先给出了最终分析结果的式子，这个式子是我们的目标式，目标式的建立依据一是实验下确定了力与转速的平方确实存在正比关系但具体系数未知，二是这个式子和按动量分析下用诱导速度的平方建立的式子十分将近，所以借用调和系数整理给出假设式，再用叶素理论建立另一个转速和力的关系式反算给出调和系数的表达式。 另外，螺旋桨可能工作 在轴流状态和斜流状态，在前文分析中，只简述了在轴流状态的情况，即受到上升拉力和旋转扭矩。 但在实际情况中，不可能处于理想的无其他气流影响的状态，也就是处于斜流状态。 不论是在飞行器前倾飞行时会有气流斜向进入气流场，还会有自然风等影响。 随之就带来另外两个不可忽略的力作用：阻力和侧向力矩。 图 本设计所有飞行器架构 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 本文依据文献 【 3】 的分析理论简要阐述四个力和转速的关系。 升力和扭矩关系 简要分析：升力按分析可知，在研究中只能先在轴流状态分析再加入斜流的影响，所以拆分状态，首先仅在轴流状态下研究升力的作用关系。 在轴流状态下桨叶转动，由于桨叶 的倾斜板式设计，转动时影响了上下部的气压，由气压作用将气流向下推动。 在这个过程中除了推动了气流外还聚拢了上部气流。 根据文献【 2】 理论，假设空气为理想气体，不可压缩，依据流速定理，对于流体来讲，流速小的地方截面积大，流速大的地方截面积小。 螺旋桨将下部气压减少后，上部空气被压力推动加速进入桨盘，这个过程中，气流开始汇聚，经过桨盘后由于排压作用继续加速和汇聚直到桨盘下方大约二分之一桨盘半径的位置被压缩至最小节流面积，达到速度最大值。 因为直升机在轴向上会出现悬停和上升两个状态，上升时，空气流本身和飞行器有相对 速度，气流会带有速度的被推动下降和压缩，产生的诱导速度也就越大。 螺旋桨输出的功率作用于气流产生诱导速度，我们就可以用动量定理来分析出这个力的大小（必须说明的是，诱导速度的大小在实际中恰巧等于最大速度的1/2），按文献 【 2】 的分析这个力大小为： 因为我们需要的是转速和力的关系，所以配合乘上一个调和常数 TC 引入目标式，式子变为： 这就是升力的和转速的关系式。 在分析中还发现，螺旋桨在作用气流向下加速的同时还使得气流有一定的扭转， 所以反作用于旋翼就会产生对应的扭矩，而扭矩的分析和升力的分析类似，前人的分析结果知道了他们的表达式形式相同，只是系数不同，所以直接给出目标公式为： 阻力和侧向力矩的关系 212 AvT 2221  RACT T（ ） （ ） 2221  RACD D （ ） 辽宁石油化工大学继续教。