四轴飞行器毕业设计 - 图文

2015届电气工程与自动化专业毕业设计（论文）

CT?112?1????????2?a?64?4CD11??Cd????2?a4a4CQ11??12?1??Cd???????2?a8a4??6CL11??(???)2?a68（3.5） ??式中Cd是一个常数，表示Cd的平均值，对于Cd来说存在关系

Cd?1.44/?Re?。而对于桨叶微元来说，每一处的空气密度，流体速度等都不一

15样，但是之后的分析，在这里可以取平均，还原为一个常数。

?是叶素安装的角度（本设计中就是螺旋桨的倾斜角），a为常数（未知不

定），?是旋翼实度。这几个数对于本设计的旋桨来说都是很难直接计算的，只能通过实验获得，他们中除了?、?都和螺旋桨的形状相关，而?称之为流入比，按如下关系建立：

v1?V0sin?s???R（3.6） 其中?s是入流角，不同的气流这个角都是不同的，所以很难整定这个系数。?就是前行速度V0cos?s和?R的比值。如果能保证无自然风的影响，每次前行时倾斜的角度都固定，这两个两个参数就只和前进速度V0以及转速?有关系。

而对于其他系数来说，可以在悬停时，按如下关系近似确定：

CT??2?a6CQCd?2?8

（3.7） 而前文已经说明了?是桨叶的横截面倾斜角，又?旋翼实度可以近似根据如

而

下关系计算：

c ??17 ?R（3.8） 可定方向的四轴飞行器设计

因为四轴的螺旋桨的桨叶很窄，式中c为桨叶的弦长，就可以近似就取为桨叶宽的平均值即可。这样通过式（3.7）建立二元一次方程就可以解出其他未知数。

因为空气动力学中，流体的实际情况非常复杂，而其他结构模型在有了力的分析结果之后，其实是简单的刚体结构，按一定精确度简化后建立模型并不困难，四旋翼的高度非线性就是力和转速之间关系非线性产生的。所以，想要建立一个精确的模型很难，而且建立之后的作用并不大，因为越精确，非线性程度越高，式中的四个系数本身就不固定和前行速度和前行的倾斜角度都有关系。

但按如上分析是可以在一定范围内建立，忽略一些影响是可以建立可以实用的模型的。

由于本设计中，采用PID算法，并不是根本具体的运动模型来做详细分析，所以本设计中模型建立到此为止，只需要利用四个力和转速之间的关系并可以实验测量即可。

由于采用PID算法（在下一章会做详细算法设计分析），它对于偏差做出应该的输出来修正，所以整体的动力学模型对于本设计来说，意义不大。笔者放弃了这一部分的研究。

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第5章 算法设计

5.1 悬停控制算法设计

5.1.1 悬停算法分析

本章作为控制器的算法结构分析部分。在本设计中，采用主从机结构，主机为MSP430单片机负责根据下位机传递三轴角度数据代入控制算法计算，并将结果换算成用于控制电调的PWM波信号。而从机是集成芯片，集合了三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁传感和一片AVR单片机，专职用于结算出姿态角。

从算法的选取上讲，四轴飞行器属于欠驱动的非线性系统，目前有许多研究者研究出了许多优秀的算法可以用来你有效的控制非线性系统，例如反步法（Backstepping）、滑模控制（Slidingmode）、线性二次型最小二乘法（LQR）、神经网络自适应、反馈线性化、H ∞控制等。

笔者能力无法企及，借此采用模糊PID和经典PID对该系统的控制算法进行设计。

PID技术从上世纪50年代就已经被研究透彻，建立的经典控制理论也成为如今最实用的控制算法方案。它以其不需要考虑精确数学模型（对工程而言只需要调节三个参数就以完成控制）的优势和出色的稳定性、可行性，占据了大多数控制场合。但众所周知，建立在线性基础上的PID，对于非线性系统的控制能力

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可定方向的四轴飞行器设计

并不是很强，为了弥补这个缺点，本设计还将加入模糊算法制作模糊PID控制器期望能改善控制结果。所以本设计采用了PID和模糊PID的两种方式。当然如果传统的固定值PID可以完成任务最好不过。

大家都明白PID算法是一种单输入单输出的控制规则，而本系统的主要任务就是完成悬停，之后再根据拟定的方向倾斜，运动到预定位置区域。首先对于悬停任务，给定X轴角度为0，Y轴角度为0，Z轴无角速度即可，那么就形成了三个偏差输入；四个控制输出；这四个输出又用来控制机体六个自由度都不能运动的局面。所以必须做出结构的改变。

首先六个自由度按前文讲述，分别是三个轴的平移和旋转，每一个轴两个自由度。现在将X轴取为正对角线，Y轴取为负对角线，那么，可以认为Y轴在旋转是由于X轴的电机转速不同引起的倾斜旋转，同时带给了X轴的前进或后退。在实际飞行中为了保证悬停状态不变以及Z轴不旋转，并且我们假设控制悬停的电机调速是微调。虽然转速平方和升力、扭矩才成正比关系，但是在微调中我们可以近似认为转速和升力、扭矩成正比关系，那么对于上述情况的不稳定，我们可以控制X轴的两颗电机做出相同的??才能保证（只能在很小的调节范围内才能这么认为），同理可以推论X轴旋转的情况。在控制悬停时，首先我们假设处于微调状态，转速和力的关系可以近似线性化，那么就可以变为由X轴输入做PID计算后控制X轴两颗电机做相同转速调整（也就是认为只有一个），这样就做成了单输入，单输出的控制结构（Y轴同理）。

简而言之，在较小的转速调整区域内认为转速和升力、扭矩成线性关系的处理方案；以及分离X、Y轴形成两个PID环，让他们将自己的所在轴控制为不旋转来完成悬停任务是能在控制中使用PID或模糊PID作为控制算法的必要假设和改进处理。

但毕竟不是线性关系，所以一定有偏差，为了保证控制的精度，我们可以引入另一个控制环来作为补偿。悬停时，我们可以忽略阻力和侧向力矩的影响。而我们如上述处理的结果是带来了调整之后的不平衡（对角线上的两个电机增加、减少相同的转速会略微提升这一组轴的升力和扭矩），而对于升力来说，很小的变化不会带来实质的反应（因为机身很重），但是扭矩则不然，一点的变化都可能会引起Z轴的自转（至少比上升下降灵敏得多），所以补偿就是引入Z轴的旋转参数，给定为零，以偏差的正负选择补偿哪个对角线上的较低速电机。

以上就是悬停算法的分析，总而言之这个算法只能在悬停时使用。在接下的

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