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本設(shè)計是基于STM32F4的四軸航拍平臺。以STM32F407為控制核心，四軸飛行器為載體，輔以云臺的航拍系統(tǒng)。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統(tǒng)，機架，云臺伺服系統(tǒng)組成。算法上采用簡潔穩(wěn)定的四元數(shù)加互補濾波作為姿態(tài)解算算法，PID作為控制器，實現(xiàn)飛行，云臺增穩(wěn)等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應(yīng)性強好等特點。本設(shè)計是基于STM32F4的四軸航拍平臺。以STM32F407為控制核心，四軸飛行器為載體，輔以云臺的航拍系統(tǒng)。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統(tǒng)，機架，云臺伺服系統(tǒng)組成。算法上采用簡潔穩(wěn)定的四元數(shù)加互補濾波作為姿態(tài)解算算法，PID作為控制器，實現(xiàn)飛行，云臺增穩(wěn)等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應(yīng)性強好等特點。本設(shè)計是基于STM32F4的四軸航拍平臺。以STM32F407為控制核心，四軸飛行器為載體，輔以云臺的航拍系統(tǒng)。硬件上由飛控電路，電源管理，通信模塊，動力系統(tǒng)，機架，云臺伺服系統(tǒng)組成。算法上采用簡潔穩(wěn)定的四元數(shù)加互補濾波作為姿態(tài)解算算法，PID作為控制器，實現(xiàn)飛行，云臺增穩(wěn)等功能。具有靈活輕盈，延展性，適應(yīng)性強好等特點。

四軸飛行器不但實現(xiàn)了直升機的垂直升降的飛行性能，同時也在一定程度上降低了飛行器機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。四軸飛行器的平衡控制系統(tǒng)由各類慣性傳感器組成。在制作過程中，對整體機身的中心、對稱性以及電機性能要求較低，這也正是制作四軸飛行器的優(yōu)勢所在，而且相較于固定翼飛機，四軸也有著可垂直起降，機動性好，易維護等優(yōu)點。

在實際應(yīng)用方面，四軸飛行器可以在復雜、危險的環(huán)境下可以完成特定的飛行任務(wù)，也可以用于監(jiān)控交通，環(huán)境等。比如，在四軸飛行器上安裝甲烷等有害氣體的檢測裝置，則可以在高空定點地檢測有害氣體；進入輻射區(qū)檢查核設(shè)施；做軍事偵察；甚至搬運材料，搭建房屋等等。本設(shè)計利用四軸搭載云臺實現(xiàn)航拍任務(wù)，當然經(jīng)過改裝也可以執(zhí)行其他任務(wù)。

四軸飛行器要求整體設(shè)計質(zhì)量較輕，體積較小，因此在電池的選取方面，采用體積小、質(zhì)量輕、容量大的鋰電池供電最合適。系統(tǒng)的核心芯片為STM32F103，常用工作電壓為3.3V，同時慣性測量傳感器，藍牙通信模塊的常規(guī)供電電壓也為3.3V，鋰電池的電壓為11.4V，要使系統(tǒng)正常工作，需要將11.4V的鋰電池電壓穩(wěn)壓到3.3V。常用的78系列穩(wěn)壓芯片已不再適用，必須選擇性能更好的穩(wěn)壓芯片。

通過以上算法我成功得出了飛行器的姿態(tài)角，在開啟電機的情況下，角度誤差在+/-2°以內(nèi)，滿足了控制要求。姿態(tài)計算效果如下圖所示，其中紅色和藍色是直接由加速度計算出的俯仰角和橫滾角，青色和黃色為姿態(tài)結(jié)算后的俯仰角和橫滾角。由圖中數(shù)據(jù)可看出，解算的姿態(tài)角不僅能即時的反應(yīng)角度變化切曲線平滑，說明姿態(tài)解算算法有效。

由于四軸飛行器獨特的機械結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上的對稱設(shè)計，使得四軸在俯仰角的控制欲橫滾角的控制上有這近乎相同的控制特性，且兩者相對獨立。四軸飛行器的俯仰，橫滾，偏航，升降可以通過四個輸入量來控制。通過設(shè)定一個期望角度，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，使得測得的姿態(tài)角穩(wěn)定在期望角�？刂坡傻脑O(shè)計主要采用是閉環(huán)控制。以姿態(tài)角做為被控制量，采用經(jīng)典的PID控制算法。

四軸飛行器系統(tǒng)是一個時變且非線性的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID算法的單一的反饋控制會使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，無法得到理想的控制效果。本文將前饋控制引入到了四軸飛行器系統(tǒng)的控制中，有效地改善了系統(tǒng)的實時性，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度；并且根據(jù)四軸飛行器系統(tǒng)的特點，對數(shù)字PID算法進行了改進，引入了微分先行環(huán)節(jié)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性；使得控制器能夠更好地適應(yīng)四軸飛行器系統(tǒng)的實際情況。

在姿態(tài)角的控制中，本設(shè)計將控制器捕獲到的遙控器信號轉(zhuǎn)換為一個角度，作為期望角，與解算出來的測量角作差，得到偏差error。將error乘以一個比例系數(shù)kp。在只有kp作用下，系統(tǒng)會有靜差所以考慮利用積分ki控制消除穩(wěn)態(tài)誤差。但積分控制會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此要對積分進行限幅，防止積分過大。

對于微分，如果采用傳統(tǒng)的D方法，在人為操縱四軸時會產(chǎn)生輸入的設(shè)定值變化頻繁且幅度較大，從而造成系統(tǒng)的振蕩。對人為控制十分不利，為了解決設(shè)定值的頻繁變化給系統(tǒng)帶來的不良影響，本文在姿態(tài)角控制上引入了微分先行PID算法，其特點是只對輸出量進行微分，即只對陀螺儀角速度測量值進行微分，而不對姿態(tài)角的設(shè)定值進行微分。這樣，在設(shè)定值發(fā)生變化時，輸出量并不會改變，而被控量的變化相對是比較緩和的，這就很好地避免了設(shè)定值的頻繁變化給系統(tǒng)造成的振蕩，明顯地改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能�？刂浦芷诙�4ms，姿態(tài)控制系統(tǒng)示意圖如下：

PID參數(shù)的整定是PID控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到控制的效果。故一個PID設(shè)計的好不好往往要看其參數(shù)能否調(diào)節(jié)好，本設(shè)計的PID參數(shù)調(diào)節(jié)采用湊試法。湊試法是通過實際的閉環(huán)系統(tǒng)，通過觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，在本設(shè)計中通過觀察被調(diào)量，PID輸出，設(shè)定值三條曲線，判斷出kp,ki,kd對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，反復嘗試，最終達到滿意響應(yīng)，從而達到確定控制參數(shù)的kp,ki,kd的目的。在參數(shù)調(diào)節(jié)過程總遵循以下原則[17]:

　　確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

在參數(shù)調(diào)整時，先調(diào)P,將I,D給0，先給一個小值P1，如果飛行器不能穩(wěn)定在一個角度，則P1給小了，下一次給一個較大值P2，如果飛行器產(chǎn)生震蕩則證明P2給大了，那么合適的P在P1-P2之間，反復試驗幾次可找到P震蕩的臨界點P0,然后保持P0不變按照調(diào)P的方法來調(diào)D,D是用來消除誤差的，當抖動差不多被消除時，此時我們有較合適的P0,D0，在這兩個值附近再試幾組參數(shù)，觀察效果得到最優(yōu)參數(shù)。調(diào)好P,D后此時四軸的穩(wěn)定狀態(tài)與期望狀態(tài)間也學會有靜差，接下來加入I，參數(shù)有小到大，當靜差差不多被消除時，我們再對P,I,D三組參數(shù)在小范圍內(nèi)聯(lián)調(diào)。最后確定恰當?shù)姆e分限幅值，完成整個PID參數(shù)的整定。

圖6-1中黃色和藍色為直接由加速度計算出的俯仰與橫滾角，紅色和青色為姿態(tài)解算后的姿態(tài)角，可明顯看出直接由加速度計算出的姿態(tài)角噪聲大，不平滑，不能真實反映姿態(tài)角的變化。而由四元數(shù)算法解算后的姿態(tài)角反應(yīng)快，噪聲小，足以滿足控制要求。光觀察曲線并不直觀，還可以觀察上位機中的立方塊，當小立方塊的姿態(tài)與四軸機體能夠保持一致變化時說明姿態(tài)解算良好。通過以上手段可知姿態(tài)角解算滿足需求。

在第五章，已經(jīng)針對四軸飛行器進行了PID的控制設(shè)計,但為了得到實際使用的PID控制參數(shù)我們還需要通過反復試驗來整定出最優(yōu)參數(shù)。為了方便參數(shù)的調(diào)試，在本設(shè)計過程中才用了先調(diào)平衡一個方向，再調(diào)另一個方向，最后聯(lián)達到平衡的效果。為此設(shè)計了如下圖所示試試驗平臺：

試飛前要確保系統(tǒng)各部分工作正常，穩(wěn)定。檢查各個接口連接是否正確，各部件安裝是否牢固，電池電量是否充足。打開電源前檢查遙控器油門是否在最低位置，起飛前先輕推油門確保電機工作正常。一切準備就緒，即可進行試飛。將四種飛行器放在水平地面上，開始啟動姿態(tài)初始化程序，聽到電調(diào)提示音后，緩慢增加油門，螺旋槳轉(zhuǎn)速上升，將飛機拉離地面。由實際情況可看出當姿態(tài)發(fā)生傾斜時，姿態(tài)解算及PID控制能夠及時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定飛行姿態(tài)。飛行器還能根據(jù)遙控指令的變化完成相應(yīng)的動作。本此設(shè)計的四軸飛行器可實現(xiàn)垂直升降的要求，能保持姿態(tài)的穩(wěn)定，機體晃動小，在微風的干擾下能夠自動調(diào)整姿態(tài)，確保平穩(wěn)飛行，且系統(tǒng)響應(yīng)快，續(xù)航時間大概在8分鐘。因此本次的設(shè)計是有效的。

void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az)
{
static float q0 = 1.0f, q1 = 0.0f, q2 = 0.0f, q3 = 0.0f;
float delta_2=0;
const static float FACTOR = 0.002;
float norm=0.0f;
float vx, vy, vz;
float ex, ey, ez;
float q0q0 = q0*q0;
float q0q1 = q0*q1;
float q0q2 = q0*q2;
float q1q1 = q1*q1;
float q1q3 = q1*q3;
float q2q2 = q2*q2;
float q2q3 = q2*q3;
float q3q3 = q3*q3;
norm = sqrt(ax*ax + ay*ay +az*az); // 測量正�；� 把加速度計的三維向量轉(zhuǎn)成單位向量。
ax = ax /norm;
ay = ay / norm;
az = az / norm;
vx = 2*(q1q3 - q0q2); // 估計方向的重力
vy = 2*(q0q1 + q2q3);
vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;
ex = (ay*vz - az*vy);
ey = (az*vx - ax*vz);
ez = (ax*vy - ay*vx);
halfT=0.002;
gx = gx + ex*FACTOR/halfT; //校正陀螺儀測量值用叉積誤差來做PI修正陀螺零偏
gy = gy + ey*FACTOR/halfT;
gz = gz + ez*FACTOR/halfT;
delta_2=(2*halfT*gx)*(2*halfT*gx)+(2*halfT*gy)*(2*halfT*gy)+(2*halfT*gz)*(2*halfT*gz);
q0 = (1-delta_2/8)*q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT; // 整合四元數(shù)率四元數(shù)微分方程四元數(shù)更新算法，二階畢卡法
q1 = (1-delta_2/8)*q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;
q2 = (1-delta_2/8)*q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;
q3 = (1-delta_2/8)*q3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;
norm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3); // 正常化四元
q0 = q0 / norm;
q1 = q1 / norm;
q2 = q2 / norm;
q3 = q3 / norm;
//轉(zhuǎn)換為歐拉角
Q_ANGLE.Pitch = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; // pitch
Q_ANGLE.Roll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; // roll
Q_ANGLE.Yaw = -atan2(2 * q1 * q2 + 2 * q0 * q3, -2 * q2*q2 - 2 * q3 * q3 + 1)* 57.3; // yaw
}

復制代碼

器件	型號	主要參數(shù)
機架	四軸650機架	槳距650mm,碳纖維材料
電機	新西達2212	1000KV
螺旋槳	1045	直徑10英寸，槳葉角45°
電子調(diào)速器	好贏天行者20A	額定電流20A
電池	鋰聚合物電池	11.1V,2200mah,30C
MCU	STM32F407	主頻168M
陀螺儀	MPU6050	+-2000dps,16位分辨率
加速度計	MPU6050	+-16g，13位分辨率
電源芯片	LM2940,LM1117	5V，3.3V
遙控器	Futaba	2.4M,6通道
舵機	Futaba3003	標準舵機

元件名	輸入電壓（V）	輸出電壓（V）
LM2940	12.4	5.01
LM1117	5.01	3.42

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