机械5

本文主要对四旋翼飞行器的机械系统、姿态测量系统、电控系统、软件系统进行了讨论和设计。在机械系统部分，首先对四旋翼飞行器的运动机理进行了分析，然后进行了机体机构的设计和建模；在姿态测量系统，主要先对测量系统的姿态解算及误差进行了建模，然后根据建立的数学模型，对姿态测量系统进行了具体的设计及算法的实现；在电控系统部分，主要先对硬件电路进行了设计与选型，然后对数字PID控制器进行了设计；在软件部分，实现了包括硬件驱动程序及相关算法实现的一整套程序的编写。 最后，实现了机体的制作和姿态测量系统的组装及调试。 如图2.1所示，四旋翼飞行器主要由机载计算机、惯性测量传感器、直流电机、螺旋桨和机架组成，每个部分的作用如下所述。 1）单片机系统 为控制系统，主要负责捷联惯导系统的姿态解算和PID负反馈数字控制器的实现； 2）惯性测量传感器 为测量系统，能够对机体的飞行姿态进行实时测量，并将数据送给单片机； 3）电子调速器 对直流无刷无感电动机进行调速 4）直流无刷无刷无感电动机 作为驱动元件，通过对4个电机速度的控制实现俯仰、偏航、横滚、上升、下降、悬停等动作； 5）螺旋桨 作为执行元件，提供整个机体运动所需要的力和力矩； 6）机体 起支撑及载物的作用。 飞行器的控制过程:遥控器接收机输出信号到单片机，形成PID控制器的目标信号；惯性传感器对机体的姿态进行实时的测量，并将测量信号送到单片机进行结算出姿态角，形成PID控制器的输出信号；然后将目标信号和输出信号进行比较，结果送入PID控制器。最后PID进行调节，输出相应的控制信号，去改变要输出脉冲的占空比，进而实现对4个电机的转速进行控制，从而实现机体在空中的稳定飞行行及姿态变化。此外，在此过程中，还要对惯性传感器采集来的信号进行处理，去除掉系统噪声的干扰和传感器的零偏。