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《四旋翼飛行器的懸?？刂蒲芯俊酚蓵T上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、四旋翼飛行器的懸?？刂蒲芯俊 ≌硎斤w行器是近些年來無人機發(fā)展的重要方向，在多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。本文介紹一種四旋翼飛行器定點懸停的控制策略，氣壓計與電子航向系統(tǒng)（AHRS）為獲取關(guān)鍵參數(shù)的傳感器，應(yīng)用低通濾波與卡爾曼濾波。在保證控制精度的同時，筆者盡量使算法簡單，不過高的依賴微處理器的運算速度。之后探討了數(shù)據(jù)處理方面存在的??題，希望可以對懸?？刂频难芯控暙I微薄之力。 【關(guān)鍵詞】四旋翼定點懸停氣壓AHRS低通濾波卡爾曼濾波 四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡單的多旋翼形式的飛行器，其本身具有
2、多重優(yōu)勢特征，主要表現(xiàn)為機體結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、陀螺效應(yīng)小等多種優(yōu)勢。最重要的是，四旋翼飛行器可以做到垂直起降，使得起飛與降落的成本大大減小。因此，這種飛行器廣泛的應(yīng)用與空中拍攝、監(jiān)視、偵查等方面。然而，四旋翼飛行器本身也存在一定的缺陷，飛行器本身在飛行的過程中容易受到噪聲甚至是氣流等多方面干擾，使控制變得困難?！ ”娝苤瑸榱耸顾男盹w行器相比與固定翼飛行器發(fā)揮更大的優(yōu)勢，懸?？刂剖欠浅１匾?，而現(xiàn)階段大多數(shù)的懸停控制方案基于民用全球定位系統(tǒng)（GlobalPositionSystem）或計算
3、機視覺控制。但GPS對環(huán)境要求較大，在某些GPS信號不覆蓋的地方不能使用，而計算機視覺控制對微處理器的功能要求比較高。但氣壓計的使用相對簡單，只需要利用簡單地機械結(jié)構(gòu)設(shè)計避免氣流造成的大噪聲的數(shù)據(jù)，非常適合用于懸?？刂啤 ”疚膶⒆⒅貙鞲衅鲾?shù)據(jù)的處理，從理論推導(dǎo)出發(fā)，并聯(lián)系實際應(yīng)用，將低通濾波與卡爾曼濾波相結(jié)合，并通過實體飛行器測試算法，提出并證明一種比較穩(wěn)定的四旋翼懸?？刂品桨浮！ ?四旋翼飛行器懸停的意義與工作原理 四旋翼飛行器的懸?？刂埔恢笔菄鴥?nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個重點課題。懸停，即四旋翼飛
4、行器在某一時刻相對于地面保持一種靜止的空間狀態(tài)。 為了方便敘述，定義機體坐標系OXYZ：以飛行器重心為原點，縱軸為X軸，方向同機頭方向；在飛行器對稱面內(nèi)且垂直于X軸為Z軸，方向向下；與X，Z軸垂直且向右為正方向為Y軸。根據(jù)右手定則由飛機重心為原點定義地面慣性坐標系OgXgYgZg。OX軸相對于OgXgYg平面的變化，即俯仰角（pitch）；OX軸在OgXgYg平面的投影與OgXg之間的夾角，即偏航角（yaw）；以及飛行器對稱面繞X軸轉(zhuǎn)動角度，即橫滾角（roll）。 由于四軸飛行器在空間中有6
5、個自由度，即在地面慣性坐標系中，沿三個坐標軸做平移和旋轉(zhuǎn)運動。通過對四軸飛行器的運動分析，可以得出飛機的姿態(tài)變化可以分解成橫滾角，俯仰角，航向角的變化，而OgZg軸的平移運動可以看做高度的變化（altitude），如圖1所示?！ 】梢钥闯鏊男盹w行器的運行方式主要包括四個方面的內(nèi)容，有垂直起降和懸停（即高度的變化）、偏航運行、俯仰運動以及滾轉(zhuǎn)運動四個，其中，基本的運動方式就是懸停運動以及垂直起降運動，但飛行器在空中飛行時會受到氣流、氣壓等多種噪聲干擾，飛行器的運動狀態(tài)會發(fā)生改變。所以控制控制四旋
6、翼飛行器的懸停，即控制橫滾角，俯仰角，與航向角，以及高度?！ ?四旋翼飛行器控制系統(tǒng) 經(jīng)過反復(fù)多種方案的反復(fù)比較分析，本文決定采用電子航向系統(tǒng)，高精度氣壓計作為數(shù)據(jù)的采集，通過I2C+SPI方式向主控芯片傳輸數(shù)據(jù)，并對氣壓計做隔離處理，降低氣流對氣壓計的干擾。為了方便采集飛行時的實時數(shù)據(jù)，利用串口方式+藍牙方式，使飛行器與上位機進行通訊。 2.1控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計 通過AHRS（attitudeheadingreferencesystem）可以獲得實時的歐拉角，通過氣壓計可以獲得實時高度
7、數(shù)據(jù)，運用適當?shù)奈⑻幚砥鳎∕icrocontrollerUnit）快速的控制，使得四旋翼飛行器可以快速的對誤差進行反應(yīng)。因此，本文描述的四旋翼飛行器呈現(xiàn)如下結(jié)構(gòu)?！ ?.2控制系統(tǒng)懸停的目標介紹 由于篇幅有限，本文只研究在手動飛行中的懸停過程。當飛行器在飛行時，當橫滾角（pitch），俯仰角（roll）比較穩(wěn)定時，對飛行器發(fā)射懸停信號。此時飛行器將進行自穩(wěn)控制，并記錄飛行器穩(wěn)定后的姿態(tài)、航向、高度數(shù)據(jù)。在可以修正的范圍內(nèi)進行修正。由于文獻（1）將已經(jīng)將姿態(tài)的估計與控制做了詳細的描述，使飛行器姿
8、態(tài)很好的保持穩(wěn)定，本文將不再描述姿態(tài)的控制，而將重點放在高度數(shù)據(jù)的處理與高度控制上，如圖2所示?！ ?基于AHRS與氣壓計的懸?？刂葡到y(tǒng)的算法設(shè)計與實現(xiàn) 3.1獲得理想的控制量 3.1.1低通濾波 低通濾波分為很多種，對于從模擬信號發(fā)展而來的最簡單的低通濾波，分為一階阻容濾波，和二階阻容濾波，阻容濾波在頻域上有阻擋高頻信號的特點，在相位上存在滯后，阻容濾波也成為滯后濾波。而二階低通濾波較一階低通濾波 理想一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為 Z變換： 式中T為采樣周期 Z反變換得到差分方程
