飞行高度自主控制四旋翼飞行器系统设计毕业设计论文.docx

《飞行高度自主控制四旋翼飞行器系统设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《飞行高度自主控制四旋翼飞行器系统设计毕业设计论文.docx（44页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、毕 业 设 计题目：飞行高度自主控制四旋翼飞行器系统设计姓 名： 学 号： 2012090371121 学 院： 机电学院 专 业： 机械工程及自动化 指 导 教 师： 协助指导教师： 2016年 5 月 25 日北京联合大学 毕业设计 摘 要近几年来，由于新技术的不断革新，无人机行业也得到了很好的发展，现如今已运用于各行各业中。本文使用普通的四旋翼飞行器，外加传感器实现四旋翼的高度自主控制。利用廉价的四旋翼组件组成一个只有姿态稳定功能的四旋翼飞行器，通过外设的传感器和高度获取和控制算法，实现自动的定高。本文通过拓展的控制板，利用滤波算法获取外加在四旋翼飞行器上的超声波传感器，运用PID控制来

2、自动控制四旋翼的油门输出。该四旋翼能够在室内外低空，地形多变的场地，利用廉价的控制器实现精准的相对地面高度不变的自主高度控制。关键词：四旋翼 超声波传感器 PID控制 自动控制-IV-AbstractIn recent years, due to the constant innovation of new technologies, the UAV industry has also been a very good development, is now used in all walks of life. As used herein, the ordinary Quadrotor ai

3、rcraft, plus Quadrotor height sensor to achieve autonomous control. Using cheap components of a Quadrotor only attitude stabilization feature Quadrotor aircraft, sensors and peripherals through a high degree of access to and control algorithm for automatic set high. By expanding the control panel, t

4、he use of filtering algorithm is applied to obtain on a Quadrotor ultrasonic sensor, automatically controlled using PID control Quadrotor throttle output. The Quadrotor capable of indoor and outdoor low-altitude, varied terrain of the site, the use of low-cost autonomous controllers highly precise c

5、ontrol of constant height relative to the ground.Key word: Quadrotor ultrasonic sensor PID control automatic control目录摘 要IAbstractII引 言11 四旋翼飞行器系统方案的确定21.1四旋翼飞行器定高系统控制任务21.2四旋翼飞行器的基本组成21.3基于arduino的高度自主控制系统31.3.1基于激光传感器的高度自主控制系统31.3.2基于超声波传感器的高度自主控制系统41.3.3四旋翼高度自主控制系统51.4四旋翼高度自主控制系统小结62 四旋翼飞行器硬件设计72

6、.1硬件选型72.2 I/O分配表102.3硬件原理图112.4硬件设计小结123 控制系统的软件设计133.1程序设计思路133.2四旋翼飞行器的控制流程及控制功能153.3程序流程图163.4 PID控制程序分析173.5软件设计小结184 系统软硬件调试194.1飞控硬件调试194.2飞控软件调试214.3程序调试中出现的问题及解决方法244.4 四旋翼飞行器高度自主控制系统25结 论26致 谢28参考文献29引 言近年来，多旋翼飞行器被大量的使用并受到各业的重视和关注,多旋翼飞行器是一种结构非常新颖、操控性能稳定简单、可以垂直起降的飞行器。其带负载能力强、飞行范围广、留空续航时间长等特

7、点，具有很高的军事研究价值和民用价值，现如今已经走入了人们的日常生活中，被广泛的运用。在多旋翼的技术研究发展的过程中，单片机、传感器和各类算法等技术相互互补相互配合，组成多旋翼的根本核心, 所以多旋翼飞行器的发展就会被其中某项技术的研究突破所带动起来，能来带许多科技创新，拓宽很多新功能，甚至许多是我们当前无法想到的。在1907年，法国的C.Richet教授进行了他们的旋翼式直升机的飞行试验，这是有记录以来多旋翼飞行器最早的结构形式，但是由于当时在导航和控制上的技术还不成熟，多旋翼飞行器也受到了很大的限制，如今各项技术都有了非常大的进步和发展，多旋翼飞行器得以实现。在功能上，多旋翼飞行器可以实现

8、许多过去不能做到的技术，随着人工智能的不断发展，现在的四旋翼飞行器可装配高清摄像头在飞行中实现安保、消防领域的工作。四旋翼的大负载能力和长时间续航能力在快递行业和农业上也得到了很大的利用，GPS技术可以实现四旋翼飞行器的精确定位，可以不需要人工遥控操作，就能自动实现预定的飞行路线和轨迹。2013年TED大会上麻省理工大学展示了搭载在无人机上的雷达，通过飞行器在位置的楼房飞行绘制出当前地形的三维图像。还有通过几台四轴飞行器联合搭建积木模块，这都是是非常有发展空间的探索研究。本文基于单片机和传感器实现四旋翼飞行器的自动定高功能，多旋翼飞行器的自动定高功能将使飞行器稳定在固定的高度。本文通过高度传感

9、器测量高度并使用嵌入接收与飞控之间的控制板来控制飞行器当前高度实现自动定高，当飞行器遇到突起或坡道时，可以自动实现相对地面位置的高度保持。本文将通过飞行器的硬件系统设计，传感器选择，软件设计，飞行器系统调试来讲述飞行器自动定高功能的研究与实现。1 四旋翼飞行器系统方案的确定1.1四旋翼飞行器定高系统控制任务四旋翼飞行器如今受人们广为关注，基于它起降条件要求低，可靠的稳定性等强大的功能，被大量的使用。四旋翼飞行器有着广阔的前景和发展空间，所以研究四旋翼飞行器是具有非常大的应用价值。本课题以四旋翼为平台设计飞行高度自主控制的飞行器系统，实现飞行器能够在特定高度范围里进行自主的控制功能，并且飞行器的

10、飞行高度可以由使用者自行设定。本课题要求对飞行器高度的实时检测反馈，并能够通过反馈的高度信息，测量当前高度与预设高度的偏差值，自主控制飞行器改变当前的高度。本课题要求四旋翼在一定高度范围内完成自主控制功能，使用的四旋翼需要在300mm轴距以内，设备载重600g以内，由于定高高度相对较低，所选择传感器的高度测量范围可以较小。四旋翼飞行器通过手动实现方向姿态的控制，开关切换实现高度的自主控制功能。1.2四旋翼飞行器的基本组成四旋翼飞行器需要以下几项设备才能使其飞行和工作：机架，飞控，电机，电调，电池，螺旋桨，接收机，遥控器。这也是四旋翼飞行器的最基本几样设备（图1.1）。螺旋桨接收机遥控器电池电调

11、电机飞控机架四旋翼飞行器图1.1 四旋翼组成图四旋翼飞行器的基本组成首先为机架，也就是四旋翼飞行器的构架，所有的设备安装放置在机架之上。中间为机身，是平整的几块板组成，用于放置设备。由机身延伸出来4个机臂，在其末端用于放置电机。机架如今市面上的机架有许多材料构成：塑料，玻纤，碳纤，金属等。其中由于金属材料结构过重，除了一些不在乎重量的情况意外，很少采用金属的机架。而塑料玻纤等运用相对较多，材料相对廉价。而运用最多的是碳纤维材质的机架，碳纤维具有超强的刚性和硬度，不易变形，最重要的是重量非常轻。虽然价格偏贵，但却是专业无人机和爱好者的首选，运用也最为广泛。四旋翼飞行器的飞行需要依靠电机来带动飞行

12、器，顾名思义，四旋翼飞行器具有4颗电机，每颗电机型号大小完全一直，分别置于四旋翼的四个机臂末端，四颗电机的距离基本一致并处于同一平面上。四旋翼的电机一般为无刷电机，无刷电机通常使用寿命在几万小时，使用时间长，而且可控性强，无干扰，噪声低等优点，四旋翼无人机普遍用的都是无刷电机。电子调速器是无刷电机必不可少的成分，根据电机的输出电流大小，选择不同型号的电子调速器，电子调速器将输入的直流电转化成3相交流电输出给电机。另外还有信号线，接在飞控上，接收飞控的信号，来控制电机的转速大小。用来提供动力能源的就是电池，四旋翼飞行器常使用的是锂电池，锂电池具有高能量密度，高电压，无污染等良好的性能，是无人机供

13、电首选。四旋翼的升力由螺旋桨提供，不同的电机配合不同的螺旋桨，才能发挥出电机最好的性能。四旋翼飞行器的控制核心是飞控，也是飞行器的大脑。飞控一般安置在机架的正中间，与飞行器的几颗电机所在的平面保持基本的平行，由飞控来控制飞行器四颗电机的转速大小，来稳定四旋翼。飞控包含了三轴陀螺仪，三轴加速度计和磁力计等传感器，用传感器来检测飞行器的当前姿态，来自动修正飞行器，使其保持稳定。如果没有飞控来控制飞行器的姿态，将无法控制四旋翼，飞行器将不受控制随意偏转。飞控通过接收接收机的控制信号，与飞控传感器得到需要修正的信号相互融合，分别输出给每颗电机不同的信号传给电子调速器，再由电子调速器来输出不同大小的电流

14、控制电机转速，达到四旋翼的预定姿态。四旋翼需要遥控器来操作飞行器的飞行轨迹，在飞行器上还有遥控器的接收机用来接收遥控器的控制信号。1.3 基于超声波的高度自主控制系统1.3.1 基于激光传感器的高度自主控制系统利用遥控器实现控制信号的发送，通过飞行器上的接收机来接收遥控器发送的信号，接收到油门，副翼，升降，方向，手动自动切换模式和飞行模式6个信号，接收机将信号转化为PWM通过6个通道接口输出给控制器，手动模式下，控制器将接收到的PWM信号原封不动的输出给飞控，通过飞控输出给4颗电机来控制飞行器姿态改变。自动模式下，飞行模式，副翼，升降，方向信号原封不动输出给飞控，而油门通道由控制器自动控制输出

15、PWM信号。高度传感器使用激光传感器来测量，测量到的高度信号传输给控制器，通过当前高度和预定高度的变化输出油门的大小，来自动控制高度的改变（图1.2）。在实验过程中由于手动输入6个通道进入控制器，导致飞行器飞行延迟严重，在手动模式下就无法实现手动飞行，而且由于课题中只需自动控制飞行器的高度，所以只需由控制器控制油门的变化量，而无需控制其余通道输出，固其余通道可以直接由接收机输出给飞控，减少控制器的运算量，进而达到更好的飞行效果。激光传感器在使用时必须垂直与地面才能做到测量精确，而飞行器在姿态改变时会倾斜，激光传感器也会倾斜，导致激光与地面产生偏角，测量精度严重下降。发射机无线接收模块控制板飞控

16、激光传感器电机电机电机电机滚转油门自旋俯仰模式手自图1. 2 基于激光传感器的控制示意图1.3.2基于超声波的高度自主控制系统利用遥控器实现控制信号的发送，通过飞行器上的接收机来接收遥控器发送的信号，接收到油门，副翼，升降，方向，手动自动切换模式5个信号，接收机将信号转化为PWM信号输出给飞控和控制器。控制器作为拓展嵌入接收机与飞控之间，可在手动与自动模式切换，控制油门大小。控制器收到接收机的油门和手动自动切换模式2个信号，飞控接收副翼，升降，方向3个信号。由于课题中只需自动控制飞行器的高度，所以只需由控制器控制油门的变化量，手动自动模式切换通道需要连接到控制板上，由控制板接收手动或者自动模式

17、来改变油门由手动操作还是自动操作。高度传感器选用超声波传感器来对高度进行测量，超声波传感器连接于控制器，由控制器发送指令出发超声波模块，超声波将高度数据传回控制板。自动模式下，控制器可由收到的当前高度和给定高度做比较，来调整油门的大小自动输出给飞控来进行控制，而手动模式下，控制器只需将接收机的油门信号原封不动输出给飞控即可。飞控是控制系统的核心部分，他在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，整合接收机和控制板输入的控制信号，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四颗电机工作，保持四旋翼飞行器的稳定飞行（图1

18、.3）。thrmode2yaw rollpitch 高度Thr飞控超声波传感器Arduino控制板无线模块控制指令PWM电机4电机3电机2电机1图1.3 基于超声波的控制示意图1.3.3 四旋翼高度自主控制系统的确定基于激光传感器系统中由于接收机输出通道都通过控制板转换进行输出，使输出数据精度下降，并且不需要对其中的升降，方向，滚转信号控制。基于超声波传感器系统进行了改善，只对需要进行控制和改变的油门和手动自动模式通道连接控制板，使设备运算更加方便快捷。激光传感器测量高度是直线测量，只针对地面的一点，激光传感器在使用时必须垂直与地面才能做到测量精确，而飞行器在姿态改变时会倾斜，激光传感器也会倾

19、斜，导致激光与地面产生偏角，测量精度严重下降。超声波传感器有检测角度范围，波束角大约为15度，可以在一定角度范围内保持高度的准确性，飞行器在姿态改变较小时，超声波的倾斜并不会改变高度值，选择基于超声波传感器控制系统作为四旋翼高度自主控制系统。由控制板直接接收油门信号和手动自动模式的切换信号，而高度传感器作为高度的检测信号，高度的处理和油门输出全由控制板单独完成，最后将处理结果通过PWM信号直接输出给飞控，来完成高度控制。其中输入端为油门信号，手动自动切换信号，高度超声波高度信号；输出为油门输出信号和超声波触发信号。通过运用外部扩展的方法的在信号回路上进行处理可以实现定高的功能，由于设计所需空间

20、较小，而安装所需设备较多，所以选型需要偏小的飞行器。在传感器上，选用超声波作为高度获取装置，价格低廉，而且高度范围也在需求以内。设计过程中涉及到了飞行器的组装，本方案的四旋翼机构全由购买的不同组件拼装而成，飞控则需要进行初始化和调参设置，还有遥控器的硬件调参等。在定高程序的设计中，使用了PID控制，可以使定高更加稳定有效。1.4 四旋翼高度自主控制系统小结基于四旋翼飞行器的高度自主控制系统，通过超声波传感器作为高度测量装置，控制板嵌入飞控与接收机之间，通过手动自动模式切换实现油门的手动控制与自主定高控制。控制板作为高度控制的主控系统，通过读取超声波传感器的高度信号，进而改变输出油门的大小，来控

21、制飞行器的油门变化，实现高度自主控制的功能。该系统可以在一定的高度内对飞行器实现高度的自主控制，超声波传感器测量精确，可以使飞行器在不同的路面或者倾斜地面上进行相对高度位置确定的自主控制，使飞行器在执行任务中提供有效的帮助。2 四旋翼飞行器硬件设计2.1 硬件选型由于室内空间有限，机体不能过大，为完成诸多任务，需要携带多种载荷，机体不能过小。虽然四旋翼无人机有各种尺寸和不同材质可供选择，但必须保证拥有足够的负重能力、较强的机械强度，小巧的外形和轻盈的机身。为此，选择轴距为210mm的四旋翼机架（图2.1），机架全部使用碳纤维材料制成，主体设备架采用镂空结构以减轻机架重量。碳纤维材料具有强度高，

22、重量轻的优点，使飞行器能更好的完成任务。由于飞行时飞行器会产生震动，连接飞行器的各个机构均采用内六角12.9级高强度螺丝与自锁螺母，防止因震动导致螺丝松动引起的事故，更加安全。图2.1 QAV210机架结合大部分210mm轴距的四旋翼飞行器资料，根据设备总重，起飞重量大致在450g左右，所以，四旋翼无人机的动力选用型号为银燕MT1806 KV2280无刷电机（图2.2）。无刷电机KV值定义为 转速/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。该电机在11.1V锂电池供电下，使用5寸高速螺旋桨，其最大电流为8A，最大拉力为380g，电机转速为18510rmp。无刷电机具有无电刷、

23、低干扰，噪音低，运转顺畅，效率高，寿命长等优点，更适合用于四旋翼飞行器。电子调速器选用银燕的12A无刷电调（图2.3），此电调油门线性极好，反应迅速，具有低压保护，过热保护，信号丢失多重保护功能。平均工作电流可维持在12A，峰值电流可达15A，与银燕1806电机正好匹配，而且有BEC稳压功能，稳压输出为5V，电流为1A。 图2.2 银燕1806电机 图2.3 银燕12A电调选用此款无刷电机适合使用标称电压为11.1V的锂电池供电，配合桨距为5寸螺距为3寸的螺旋桨使用，螺旋桨型号为乾丰5030（图2.5）。最大拉力380g，承载1kg的四旋翼无人机。锂电池具有能量比高，寿命长，额定电压高，放电能

24、力强，自放电率很低，重量轻，可快速充电等优异的性能，所以，为此选择3S1300mAh25C作为四旋翼飞行器的供电装置。电池的特性为标称电压11.1V，容量为1300Mah，放电倍率为25倍，电池型号为花牌3S 1300mAh（图2.4）。四旋翼的螺旋桨有几种桨型可供选择：APC桨，碳桨与木桨，APC桨的效率很高，续航时间长，缺点是桨身比较软，大载重时桨会轻微变形而震动，不过新型的APC桨专门为多轴设计，增加了桨的硬度减小重量，解决了高速转动桨尖变形的问题，再次提高效率，APC桨的动平衡好，桨叶的高频噪声小。木浆的材料多为榉木，硬度高，重量轻，经过风干打蜡上漆以后不怕受潮，震动极小，不过木桨的效

25、率比较低。碳桨 由于碳的材料原因，决定了它有优异的硬度和合适的桨型，因为浆型原因所以碳桨效率优于木桨，碳桨的硬度高，不变形，效率高，是大多数航拍多轴的选择。 图2.4 花牌3S 1300mAh锂电池 图2.5 乾丰5030螺旋桨由于锂电池需要为4颗电调分别供电，需要单独分电板，分电板可以为4颗电调提供所需的电流，结构简单，不需要把所有线都焊在一起，美观而有效。在此选用Matek Mini分电板（图2.6），此分电板具有很小的结构，耐大电流的优点，对硬件组装节省很多空间。图2.6 Matek Mini分电板四旋翼飞行器的飞行姿态需要有手动来控制，用来遥控四旋翼飞行器选用Futaba14SG（图2

26、.7），而在飞行器上接收发射机信号的接收机为R6106接收机（图2.8）。该遥控器具有14通道，每个通道可单独设置。方便快捷，功能繁多。 图2.7 futaba14sg 图2.8 r6106接收机四旋翼飞行器的核心飞控选择CC3D mini飞控（图2.9），该飞控具有6通道，最大可支持6旋翼飞行器，而且具有自稳功能，可接电脑调试。价格低廉，结构小巧，重量极轻，适合210mm的机架，符合方案要求。图2.9 CC3D mini飞控超声波传感器选用HC-SR04传感器（图2.10），此型号传感器性能稳定，测量距离精确。使用电压为5V，测量感应角度15度以内，测量距离为2cm到450cm。 超声波传感

27、器发射端向测量方向发射超声波，发射超声波的同时计时，当超声波在传播过程中碰到障碍物时就立即返回，接收器收到反射波停止计时。超声波在空气中速度为340m/s，此时记录的时间为t，就能计算出超声波传感器离地面或者障碍物的距离为s，则距离为s=340t/2 。图2.10 超声波传感器在触发超声波测量距离的时候，提供一个10us的脉冲触发信号，模块内部发出8个40kHz周期电平并检测波。一旦检测到有回波信号就输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。控制板选用了Arduino2560开发板（图2.11）。Arduino开发板设计得非常

28、简洁，一块AVR单片机、一个晶振或振荡器和一个5V的直流电源。、Arduino Mega是一块以ATmega2560为核心的微控制器开发板，本身具有54组数字I/O输入输出端，其中14组可做PWM输出，16组模拟输入端。能夠通过USB直接下载程序。供电部份可选择由USB直接提供电源，或者外部5V供电。图2.11 Aduino 2560开发板飞行器的硬件组装中需要注意很多的细节，由于飞行器的机架为全碳纤维材料，碳纤维材料是导电的，所以需要在安装时对电路上露出来的元件绝缘或者垫高，避免接触到碳纤维。飞控的安装也要保证与4个电机所在的平面平行，飞行器组装完成后如图2.12所示。图2.12 组装后的四

29、旋翼飞行器2.2 I/O分配表四旋翼有4颗电机控制姿态变化，通过电调来接收飞控发出的PWM指令，固有4个电机PWM输出信号，飞控作为飞行器的姿态控制器，需要接收发射机的手动遥控信号来进行姿态的手动变化，而主要的姿态变化有飞行器的前后俯仰变化，左右的滚转，航向的偏转和高度的油门变化量，所以一共有4个输入信号给飞控。测量高度的方法需要控制器发出测量信号，和接收到的高度信号反馈给控制器，所以为1个输入和1个输出。由于需要考虑到飞行器的安全问题，所以需要设计1个开关切换手动和自动模式，进而在可能发生意外情况时可以及时切换到手动模式进行手动飞行来控制飞行器，所以需要1个开关输入。表2.1输入通道输入名称

30、P3超声波接收P24拨动开关SB1P26油门输入THR表2.2 输出通道输出名称P2超声波触发P6油门输出OUTTHR2.3 硬件原理图在图2.13中四颗电机分别通过连接4个电调直接供电，电调的供电通过分电板独立分出电压，分电板的供电为标称电压11.1V的锂电池。电子调速器的信号线都连接到CC3D飞控的4个输入通道上，由于每个电子调速器都有5V的稳压输出，所以每个电子调速器都可以进行供电，其中任意3个电调的5V电源线直接连接到飞控端，给飞控供电，剩下的一组电源线接到Arduino控制板，给控制板进行供电。接收机的俯仰，偏航，滚转通道分别连接在飞控的俯仰，偏航和滚转通道上，供电由飞控输出5V电压

31、。而接收机的油门信号线和手动自动模式信号线则连接到Arduino控制板的PWM信号输入端。控制板的rx和tx接口连接超声波传感器的对应接口，传感器的供电也由控制板提供,控制板输出的油门信号最终连接到CC3D飞控的油门信号输入端。 图2.13 硬件原理图2.4 硬件设计小结基于四旋翼飞行器的定高，通过任务要求选择210mm轴距的机架，进而确定其余设备的尺寸型号大小，基于超声波传感器的精确测量和稳定性，选择传感器为HC-SR04。选用Arduino2560开发板作为高度控制系统的核心控制系统，具有合适的PWM输入和模拟输出接口，在整个硬件系统中，除电机外的其余硬件都可以支持5V供电，通过分电板的降

32、压模块，可以持续输出5V的电压，为控制系统进行供电。由于电机是通过电子调速器来控制电机转速，所以控制板所输出的信号需传递给CC3D飞控，飞控将信号进行分析，最终的处理结果通过4个调子调速器所对应的端口分别输出给电子调速器，再由电子调速器对每颗电机的转速进行控制。3 控制系统的软件设计3.1 四旋翼飞行器的控制流程及控制功能四旋翼的四个旋翼处于同一高度平面，四个电机对称安装在飞行器的机臂端，机架中间安装飞控和周边设备。螺旋桨转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，四个旋翼中的两个电机正转，两个电机反转，且对角线上的各个电机转动方向相同。4321xy3zz4y2

33、1x(b) 升降(a) 油门432x4321xyzzy1.3.5 偏航1(d) 偏航(c) 滚转图3.1 四旋翼方向控制四旋翼飞行器的控制方向分为升降，偏航，油门，滚转(图3.1)。如图3.1(a)为四旋翼飞行器的油门控制，通过控制增大遥控器的油门通道，将同时增大四颗电机的转速，当螺旋桨产生的升力大于四旋翼本身的重量时，飞行器将上升。同理，通过控制减小遥控器的油门通道，将同时减小四颗电机的转速，使飞行器下降。四旋翼飞行器的俯仰姿态，也就是前后运动如图3.2(b)所示。通过改变遥控器的升降通道，使前后侧的电机1和电机2增大转速，电机3和电机4减小转速，增大转速的电机将使机臂抬升，而减小转速的一侧

34、将机臂降低，使四旋翼前后运动。四旋翼飞行器的滚转姿态，也就是左右运动如图3.3(c)所示。通过改变遥控器的滚转通道，使左右两侧的电机2和电机3增大转速，电机1和电机4减小转速，增大转速的电机将使机臂抬升，而减小转速的一侧将机臂降低，使四旋翼左右运动。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图3.4(d)中，当操作遥控

35、器的方向通道进行改变时，相对的两颗电机转速增大，也就是旋转方向相同的电机。而另外两颗电机转速减小，由于反扭的左右，机身便在反扭力下沿着轴线旋转，实现偏航。PPM信号电机4电机3电机2电调4电调3电调2电调1PWM3PWM2PWM1PID控制姿态解算三轴磁力计三轴加速度计三轴陀螺仪主控制器姿态测量系统无线模块姿态控制指令电机1PWM4图3.2 四旋翼控制框图在图3.2中四旋翼飞行器有遥控器发出指令，只要为控制飞行器飞行姿态的指令，分为俯仰，油门，偏航和滚转。遥控器通过手动移动不同通道的摇杆，使遥控器发出PPM信号，由安装在飞行器上的无线遥控接收机接收遥控器发来的PPM信号，再进行解码。分为4个不

36、同姿态通道，使其为PWM信号传送给飞行控制器。四旋翼飞行器由飞控来执行遥控器的控制指令和调整飞行器的飞行姿态。飞控的控制目标是使其在无动作指令时保持稳定悬停状态，有动作指令时有效完成指定动作。飞控上的姿态传感器测量飞行器的当前姿态，通过姿态解算，得到需要每颗电机修正的转速大小，运用PID算法，从而将PWM信号输出给电子调速器，通过电调来控制电机转速修正姿态，当接收机传给飞控一个偏航指令时，飞控将此指令与姿态解算的结果相互融合计算出每颗电机的修正转速，再输出给电子调速器，控制飞行器的姿态达到需要的位置。3.2 程序设计思路本项目需要控制四旋翼飞行器的高度，而四旋翼飞行器高度的控制是通过油门控制4

37、颗电机的转速增加和减小来达到飞行器高度的升高与降低。由于四旋翼飞行器由手动控制，所以安装在飞行器上的接收机可以接收发射机发出的控制信号，高度控制是通过遥控器的油门通道，接收机接收发射机的油门信号，将信号转化成PWM信号发送给飞控来控制油门大小的变化，所以可以通过改变接收机发送给飞控的油门信号大小来间接控制飞行器的油门大小。首先通过外接控制板嵌入接收机和飞控中间，将接收机输出的油门信号传送给控制板，控制板可以直接输出接收机的油门信号，同时还可以控制输出油门PWM值的大小。通过外加传感器安装在飞行器上来测量飞行器的当前高度，通过高度的变化可以由控制板来自动控制油门的PWM信号，再传递给飞控，进而实

38、现自动控制飞行器高度。为了可以手动完成控制和安全起见，需要有手动控制油门大小和自动控制油门大小两个控制方式，需要从接收机端输出另一通道实现手动自动的切换功能。由于信号都为PWM信号，切换功能可以由发射机手动切换，所以可以将切换功能的PWM信号大小输出给控制板，由控制板来判断手动模式还是自动模式。当切换为手动模式时，控制板接收到接收机的油门PWM信号时，可以直接输出此PWM信号直接传送给飞控。而自动模式下，控制板将接收传感器的高度信号，通过计算高度的变化，输出不同的油门PWM值大小传递给飞控，进而实现飞行器的高度自主控制。3.3 程序流程图图3.3 程序流程图如图3.3所示，首先对控制系统进行程

39、序的初始化，控制板的引脚初始化。系统初始化后，由接收机发送手动自动模式的开关信号和油门通道信号给控制器，信号为PWM信号。系统读取开关PWM信号并进行记录，然后判断手动自动模式开关PWM信号的高电平持续时间，小于1700为手动模式，大于1700为自动定高模式。INSBB = pulseIn(SB1, 1); /测量开关通道输入的PWM值进入手动模式后，读取油门输入引脚的PWM值并记录下来，油门值为THR；测量当前高度H为设定高度（当开关切换到自动模式后，此高度将作为设定高度进行运算，设定高度即为飞行器悬停的高度）。INTHR2 = pulseIn(THR3, 1); /测量油门通道输入的PWM

40、值H=pulseIn(EchoPin,1)/58.00;将超声波触发引脚，置高电平，触发超声波测量高度，超声波返回高度信号给控制器，记录当前高度，如果记录的高度大于250或者小于3，则作为高度限幅，此次高度作废，以上一次测量的高度作为此次高度输出。如果高度在3到250之间，则此次高度值有效。最后将记录下的油门PWM值转化为油门输出引脚的高电平持续时间进行输出，将PWM信号传递给飞控进行油门控制，即将接收机发送的油门信号原封不动的传递给飞控实现手动的控制。当检测到开关PWM大于1700时，则启动自动定高模式。首先检测当前高度d1，将超声波触发引脚，置高电平，触发超声波测量高度，超声波返回高度信号

41、给控制器，记录当前高度，如果记录的高度大于250或者小于3，则作为高度限幅，此次高度作废，以上一次测量的高度作为此次高度输出。如果高度在3到250之间，则此次高度值有效，并且将上一次高度值与此次高度值进行比较，如果差值过大，则此次高度值作废。将高度d1赋予高度数组，进行滑动滤波处理，把连续取得的6个高度采样值放进高度数组，数组长度为6，每次测量的新高度值放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据（先进后出原则），把数组中的6个高度数据进行算术平均运算，获得新的滤波结果作为此次飞行器当前的高度输出。Filter_Value = Filter();/ 获得滤波器输出值 滑动滤波将输出的滑动滤波值与手动模式

42、下的设定高度值H进行高度差的计算，并将高度差和手动模式下的油门值THR进行PID运算，输出运算结果为o，作为油门的输出量，当输出值大于1550或小于1250时，进行输出限幅，油门为上一次的运算结果。 PID_THR=PIDVAL(); /PID控制最后将运算结果转化为PWM信号输出，将油门值通过油门引脚输出PWM值给飞控，实现自动定高的功能。此循环每30ms运算一次。3.4 PID控制程序分析/pid控制算法#define P_VAL (error-LastError_1) /P,I,D各项的3个值#define I_VAL (error+LastError_1)/2)#define D_VA

43、L (error-2*LastError_1+LastError_2)int LastError_1=0;int LastError_2=0;float Kp=45.00; /定义参数 Pfloat Ki=2.40; /定义参数 Ifloat Kd=0.50; /定义参数 Dint PIDVAL() /定义PID函数int error=H-Filter_Value; /高度差=预定高度-当前高度float output=nowOutput+Kp*(error-LastError_1)+Ki*(error+LastError_1)/2)+Kd*(error-2*LastError_1+LastE

44、rror_2);定高功能的实现，最重要的一步是进行PID的控制，PID控制可以使飞行器到达稳定的预设高度中。比例，积分，微分系数的整定是算法调试中的关键，其中P_VAL为比例项，kp为比例系数；I_VAL是积分项，ki是积分系数；D_VAL是微分项，kd是微分系数。error就是此次的高度差，LastError_1是上一次的高度差，LastError_2是上上次的高度差。nowOutput为上次的油门量，output为此次需要输出的油门量。Kp即为比例项的系数，需要整定的首先就是参数kp，在整定参数kp时，其余的ki和kd系数都为0。Kp的整定结束后，依次整定ki与kd两个系数。三项的系数分别

45、与高度的相关数据相结合，再同时加上当前的油门量，既是需要输出的油门PWM值。油门的输出量output就是PWM的值，所以各项中的系数就是使该项得到一个准确的PWM增量，增加到当前的油门量上。3.5 软件设计小结四旋翼飞行器定高系统的软件设计中，通过设计手动模式和自动模式可以实现飞行器油门的手动控制和自动定高控制的功能，使用PID算法来控制油门的输出量大小，可以使飞行器在偏离预定高度时，以极快的速度到达预定高度，并使飞行器稳定于预设高度上。定高的实现主要由超声波高度信号的读取和油门信号的输出，最终需要进行的是PID算法中三个参数的整定，并将油门控制信号传送给飞控实现控制功能。4系统软硬件调试4.

46、1 系统硬件调试四旋翼飞行器在起飞前需要进行初始化设置，分为遥控器设置和飞控校准初始化设置。由于四旋翼的飞行是由手动进行无线遥控飞行，所以首先要对遥控器进行初始化对频。需要遥控器和安装在飞行器上的接收机进行对频，对频可以使手动操作遥控器的信号传递给接收机，通过接收机将每个通道的PWM值传递给飞控来完成控制。接收机对频主要在遥控器中完成。需要设置为固定翼飞行器，接收机类型为S-FHSS制式。通过给接收机通5V电压自动完成对频。完成接收机的对频工作后，接收机就能准确的接收无线遥控发射机发出的控制信号。接收机将PPM控制信号解码为各个通道的PWM信号分别输送给飞控的各个通道。飞控的初始化需要在上位机上进行设置（图4.1）。图4.1 上位机初始画面进入上位机界面之后