四軸飛行器設計畢業設計-資料下載頁

【導讀】遼寧石化職業技術學院。固定傾斜解決辦法.....

　　

【正文】 的）關系穩定，這是可以直接實驗測量的（轉速和高電平持續時間成對應關系），于是所給的高電平持續時間在微調中也同樣可以認為和轉速成線性關系。加入了氣流阻力后引入新的負債轉矩，那么轉速必須考慮阻力在槳盤上產生作用帶來的影響。按之前的分析，阻力和轉速本身、前行速度、傾角位置等都有關系。那么轉速和高電平持續時間的對應關系就改變了。 其二，可以想象如果下達傾斜指令，改變一定的電機轉速，即使開始傾斜正確，即使還計算好了上 升下降的升力扭矩改變達到開始的平衡，但是因為慣性，前行速度是變化的，阻力變化，轉速變化，升力和扭矩必然就不再平衡（這還是小問題），側向力矩欲抬起傾斜到下方的電機，開始的傾斜就不成立，必然會調整，跟著一連串的反應才能穩定，但可以清楚達到平衡時，升力、扭矩絕對不會平衡。 其三，這一切的問題包括懸停控制時，都還忽略了電機的過渡過程，無刷電機由直流逆變為三相電之后用頻率控制轉速，在改變了頻率之后，它也不可能立刻響應到下一個轉速狀態。 總而言之，問題非常嚴重，是絕不可能再用懸停算法的。本設計要求可以自己確定方向，那么 就要求有 Z軸的自轉；另外還要求盡可能飛到預設的區域范圍，就必然會要傾斜。筆者認為要解決以上三個問題，還繼續可以用 PID 控制，做如下設計修改。 Z 軸旋轉解決辦法設計 Z軸的自轉只是讓轉矩不平衡，由于沒有前行速度，沒有傾角，還可以認為在軸流狀態，自轉控制只需要在原控制下，移除 Z 軸補償，加入另一個 PID 環以一個固定的 Z軸角度為給定，計算后加入到原計算中改變即可。為了保證升力和重力平衡，只做低速旋轉即可（因為正副對角線上的轉速差越大，扭矩越大，自轉越快）。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 24 24 設計中，先控制懸停，當懸停完成后，再開始糾正 Z 軸的方向問題 。原始PID 結構不變，繼續微調，加入 Z軸角度 PI 控制（不能要微分，只能緩慢旋轉），補充轉速修正方向，一次計算結果按目前角度賦給對應對角線上的兩顆電機。 固定傾斜解決辦法 要完成固定傾斜并保持升力和扭矩的原始平衡關系，筆者認為只能利用控制變量法，恒定一些變量才能實現。要達到固定傾斜的要求，其實從實際情況出發就是一條對角線上的兩顆電機提供不一樣的轉速，但給整體的升力、扭矩不變，保證高度不變，并不會自轉。 為了完成這個目標，在此先做簡要分析：要保持一定傾斜角度不變，我們只能讓一條對角線上電機一個增速，一個減速，完 成傾斜。但按前文分析，我們不能讓他們做相同的轉速變化（但注意，同升同降還是可以穩定讓其不傾斜的），若相同變化，結果一定不是所預想的到達那個角度。所以筆者改變設計方案，一旦下達傾斜指令，控制一條對角線上的電機形成不同轉速而傾斜，讓高速旋轉的那一個成為恒定值不能改變，做傾斜角 PID，給定為該軸傾斜值，只控制低速電機改變，完成角度的控制。 如上做法，可以控制一個傾斜角度了（自動平衡了側向力矩和阻力的影響），但是扭矩沒辦法完成平衡，此時就加入另一個 PID 環，用 Z 軸角速度為輸入修正不傾斜的那條對角線上的電機做同增同降 修正即可。 控制算法小結 無論如何更改結構，在此，筆者需要補充的是，本設計所采用的方案是結合模型建立的結果，分析了在不同情況下應該怎么合理的解決 PID 不能作為多輸入多輸出系統的控制算法的問題。讀者也可以根據思考來做其他結構修改。 在本設計中沒有引入高度反饋，建立升力不平衡的補償這是算法中的小缺陷，在此筆者做出說明是，高度反饋時必須引入的，本設計也引入了，而在本章并沒有闡述原因是，它的 PID 參數和電池的性能有關。筆者的設計思路是，在懸停中，改變策略，一條對角線糾正升力平衡，一條對角線糾正扭矩平衡。在 Z軸旋轉時 ，不需要平衡扭矩，就讓 PID 改變設置補償高度就好。在傾斜時，讓傾斜軸的高速旋轉電機補償升力就可以了。 九軸數據的融合算法 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 1 關于數據融合必要性的分析 陀螺儀是這三種傳感器中最終獲得姿態數據的數據基準，本設計中選擇的是集成芯片，自動由科里奧利力結算出此時的角速度。而角速度信號不是我們用于做閉環控制的反饋信息（需要的是角度），于是我們就只能將之做積分，由于是數字處理器，只能只用求和的辦法，那么兩次數據的時間間隔的長度就決定了精度，間隔越短，精度越高。另外，陀螺儀是一個沒有標準參考系的傳感器，所以想要用 它來做角度計算除了積分外還必須首先初始化開機的角度，否則會測不準。但是同時又存在積分累計誤差（不可能做到無窮小的時間間隔），運行時間越長，誤差越大。而加速度計不會出現這樣的問題，它有慣性參考系等，也可以累計出角度值，但是加速度計不會區分重力加速度和外力加速度，在高速運動時，無法準確給出加速度數據。為了揚長避短，將兩者融合就可以獲得比較好的角度數據了，最簡單的融合辦法就是設置時間權值，運行時間短時陀螺儀權值高，時間越長加速度的權值越高。 地磁數據就是根據當前的磁場數據（換算為地面坐標系）和慣性參考系綜合獲得夾 角的辦法。根據地磁模型（ IGRF）計算出在任意位置的地磁數據，然后利用坐標轉換原理設計出融合角速度傳感器的三軸角度測量辦法。 簡而言之，就是由陀螺儀和加速度構成一組角度測量，用一種算法結算處一組姿態角，再有陀螺儀和地磁傳感器構成另一組角度測量，獲得另一組角度值，再綜合數據獲得最終的姿態角。 加速度計與陀螺儀的數據融合 前文已經介紹了它們兩組數據的優劣，在實際過程中兩組數據融合的辦法有很多，例如 MK 算法，它的算法核心是在時間過程中利用加速度數據逐漸把陀螺的積分項清零而隔除累積誤差。本文采用卡爾曼（ Kalman）濾波辦法，在結算過程中同步融合兩組數據獲得最終結果的原理。 由于篇幅原因，本文不再贅述卡爾曼濾波具體的原理和設計辦法，在本設計中主要是用四元數法建立狀態方程，并實驗分析出干擾源和干擾源的類型建立均值為零的正態分布函數（其實只是確實方差），再按應用要求給出確定的如下五個式子。詳情請參考文獻 【 4】【 15】 兩篇。以下直接介紹融合的流程： 卡爾曼濾波其實就是一種估計，以最小均方誤差為最佳估計準則，濾除相互獨立的零均值高斯白噪聲。它通過上一時刻的估計值和當前時刻的觀測值來計算實際當前時刻的真實值，而算法式也就是由預 估和校正兩部分構成并采用遞歸算遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 26 26 法不斷更新數據結果，濾除噪聲。其整個過程的動態模型如式（ ）所示（式中所有字母均為向量或矩陣）： 式中 X表示狀態變量也是卡爾曼濾波的中間變量， Z是觀測值。 W 和 V就是這兩變量的隨機噪聲，兩個一般假設服從期望為零的獨立正態分布。 而卡爾曼濾波事實上就是 5 個公式然后迭代計算就可以了。具體推導過程請參考文獻 【 15】 ： 式子（ ）是預估式， 式子（ ）是校正式。 kkkkkkkkkk vxHz wuBxAx ?? ??? ??? 111 （ ） QAAPPBuxAxTkkkkk?????????111?? （ ） ?????????????kkkkkkkkTkTkkPHKIPxHzKxxRHHPHPK)()()( 1??? （ ） 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 1 第 6章 程序設計 程序設計思想 程序方案 在本設計中，由于 傳感器是直接購買的集成芯片，采用的 AVR 作為主控機，直接串口輸出數據，所以在本設計中沒有對于數據處理的直接程序，而主控機是用 MSP430 由 TI 公司出品的 LaunchPad，所有程序由筆者自己編寫，所以本章程序設計就是主控機的程序。 主控機程序應該分為三部分，一部分是從串口接收數據并重裝成浮點數據，一部分是按 PID 算法計算獲得控制結果，最后一部分是將控制數據用定時中斷的方式輸出 PWM 給對應電調。 串口接收數據并重裝 概述 在 MSP430 中集成了兩個串行數據口，在程序中，首先進行串口初始化，如設置波特率等。 然后開啟串口中斷，每次到來數據是，進行比較，找到“ YPR=”這五幀數據，才開始保存真正的數據。并以‘，’作為間隔符，一旦檢查到逗號，數據完整。 在重裝時，所有的數據都是 56 幀的數據，其中若為 6 幀時有一幀數據是遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 28 28 2DH 表示負數，而真實的數據只有五幀，其中一幀為 2EH 表示小數點。重裝的辦法是，由于數字的 ASCⅡ碼是從 0開始，而 0的十六進制碼為 30H，所以將接受到的數據減去 30H 就是實際數值，如此再按順序乘上 10 的冪即可。 程序設計 按上述辦法就可以把傳感器的數據重裝為我們接下來做 PID 運算的反饋輸入。具體的程 序流程如下： 在這里的流程中，只接受了一個數據并重裝，在接下的數據中，只要間隔一幀數據后又返回“ 2DH？”判斷接受第二個數據即可。接受完后，檢查結束幀即可。 PID 算法程序 按前文算法設計的要求，它會依據實際情況的不同而變換規則，另外因為引入了模糊算法， PID 三個參數還需要查表獲得。 首先，按前文算法設計的要求，一共會有 3 段，所以必須用一個控制位，選遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 1 擇 PID 進入那一段。 另外一旦進入 PID 計算時，關閉串口中斷，不再接收數據，直到這一次計算之后改變電機轉速（輸出了 PWM 波信號）再開串口。因為 流程圖過于復雜，本文不再給具體流程，請直接參看程序即可。 電調 PWM 信號 本設計使用好盈電調，按電調的標準 PWM 信號來看，高電平只能存在 12ms的長度，然后給一段時間的低電平信號。本設計中， MSP430 工作在 8MHZ 的機器周期下，用定時中斷可以在 12ms 之間細分出足夠多的等份，滿足足夠的控制精度。 每一次定時器初始值被修改就可以輸出不同長度的高電平信號。在修改完四個電機之后，重開串口中斷并關閉定時中斷，保障中斷不會沖突。 具體流程或程序，請參看附錄一。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 30 30 總結 選擇這個課題作為我的畢業設計，也是對自己極大挑戰，在整個設計中有相當多的知識都是要在碩士研究生階段才會學到的知識。比如四元數法、卡爾曼濾波、空氣動力學、葉素理論等等。 在理論設計結束之后我做出了實物，按照自己的設想加入了改進的 PID 控制算法并取得一定成功，這是我最開心的事。雖然目前的四軸飛行器飛控算法有很多種，但是每一種都非常復雜，許多強大的理論基礎。所以，本設計對于剛剛接觸四軸飛行器的人來說是非常好的入門參考設計。 從整體上講，設計的思路非常明確： 首先要分析傳感器和傳感器的數據結果，直接利 用數據來分析干擾源并建立干擾信號的隨機分布函數。然后按四元數法建立狀態方程，再利用卡爾曼濾波設計濾除高斯噪聲并融合加速度計和陀螺儀的數據獲得姿態角。 因為 PID 算法可以使用的條件是對于系統結構做出更改，所以如果不了解實際的飛行器物理模型，就不知道應該如何更改才能完成目標。所以分析完傳感器的處理之后，應該對于系統物理模型進行建立。 之后再按照設計原理，編程并下載到單片機中，連線、運行、調試即可。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 1 論文小結 經過了這一次畢業設計教學環節的歷練之后，我深深的感受到了控制學科知識的深度 和廣度。就是因為畢業設計這一環節的設置，給我們將理論運用到實踐的經驗，同時也是在實踐中發現自己理論不足的過程。 以我自己的經歷而言，我覺得畢業設計是考驗自己專業能力最好的方式，并且我認為選擇一個略高于自己目標難度的課題對自己的鍛煉更大。因為這樣才能在實踐中發現更多的理論需要，才能學習到更多的能力，最關鍵是借此鍛煉自己尋找文獻、閱讀文獻、活用文獻的能力。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 32 32 致 謝 本文是在余騰偉老師精心指導和大力支持下完成的。余騰偉老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、兢兢 業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業設計過程中我也學到了許多了關于單片機和傳感器方面的知識，理論知識有了很大的提高。 最后對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 1 參考文獻