基于A(yíng)DXL345的指控小車(chē)

-.z---.--總結(jié)資料分?jǐn)?shù)：分?jǐn)?shù)：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院實(shí)踐報(bào)告研究室名稱(chēng)：傳感器與人機(jī)交互研究室：機(jī)電專(zhuān)題研究〔一〕立項(xiàng)題目：基于傳感器的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)院系：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院班級(jí)：創(chuàng)電0901學(xué)生**：王瑜敏學(xué)號(hào)：200901207完成日期：2011年12月10日**理工大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院基于傳感器的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容綜述四旋翼飛行器是一種電動(dòng)的、能夠垂直起降的、多旋翼式飛行器。由于具有廣闊的軍事和民用前景，使其成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。四旋翼飛行器有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：飛行器姿態(tài)解算和飛行控制。姿態(tài)解算的精度將直接影響飛行控制算法的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)現(xiàn)的難易程度，所以姿態(tài)解算是飛行控制實(shí)現(xiàn)的前提。隨著MEMS技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展，小型飛行器航姿測(cè)量普遍采用低本錢(qián)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)測(cè)量單元〔IMU〕，其主要由低本錢(qián)的陀螺儀、加速度傳感器和電子羅盤(pán)組成。陀螺儀具有溫度漂移特性，加速度傳感器會(huì)受到飛行器飛行過(guò)程中機(jī)體振動(dòng)的影響，同時(shí)電子羅盤(pán)是一種磁阻傳感器，容易受到外部磁場(chǎng)的干擾。因此，如何融合IMU多傳感器的數(shù)據(jù)，濾除外部干擾，得到高可靠性、高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)，是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的工作。擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法是一種高精度，在飛行器中應(yīng)用非常廣泛的姿態(tài)解算算法，但是建立其穩(wěn)定可靠的更新方程是比較困難的，而且其計(jì)算量很大，對(duì)處理器的運(yùn)算速度和精度要求很高，不適合小型飛行器的嵌入式微控制器。互補(bǔ)濾波器算法以其簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，在飛行器姿態(tài)解算中的應(yīng)用愈加廣泛?；パa(bǔ)濾波器對(duì)慣性器件的精度要求較低，特別適合于廉價(jià)的IMU。本文基于互補(bǔ)濾波器算法，設(shè)計(jì)了適合四旋翼飛行器的姿態(tài)解算算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本算法能夠長(zhǎng)時(shí)間輸出高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)，完全滿(mǎn)足飛行控制的要求。總體架構(gòu)小型四旋翼飛行器涉及到飛行器設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、自動(dòng)控制理論和應(yīng)用的等諸多技術(shù)領(lǐng)域。如右圖圖一所示為小型四旋翼飛行器的整體框架：圖一總體框架在飛行器航姿參考系統(tǒng)中，根據(jù)三軸陀螺儀的角速度輸出，使用斱向余弦矩陣法解算小型四旋翼飛行器的姿態(tài)，采用高效的單位正交化算法對(duì)斱向余弦矩陣進(jìn)展校正；根據(jù)陀螺儀和加速度傳感器、數(shù)字羅盤(pán)的測(cè)量結(jié)果在頻域上的特點(diǎn)，使用互補(bǔ)濾波器對(duì)多傳感器結(jié)算結(jié)果進(jìn)展數(shù)據(jù)融合，有效提高了姿態(tài)測(cè)量的精度。圖2飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)我們?cè)O(shè)計(jì)通過(guò)使用如下的傳感器對(duì)飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)展測(cè)量：雖然陀螺儀動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，但是測(cè)量姿態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生積累誤差。相比陀螺儀，數(shù)字羅盤(pán)和加速度傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是輸出丌會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移，沒(méi)有積累誤差，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。兩者在頻域上具有互補(bǔ)特性，滿(mǎn)足互補(bǔ)濾波器的使用條件，可以采用互補(bǔ)濾波器對(duì)三種傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)展融合，以提高測(cè)量精度各模塊原理、方法及實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航角不會(huì)影響重力加速度矢量的方向，而且滾轉(zhuǎn)角和俯仰角也不會(huì)影響飛行器的航向，所以?xún)陕沸Ｕg是解耦的，不會(huì)相互干擾，分為兩路的策略是合理的。四旋翼飛行器大局部時(shí)間處于懸停、勻速飛行階段，此時(shí)加速度傳感器只受機(jī)體高頻振動(dòng)的干擾，而且在起飛、降落和加減速階段，其加速度相對(duì)重力加速度較小，而且持續(xù)時(shí)間很短，最終會(huì)被互補(bǔ)濾波器濾除。因此，可以將加速度傳感器的數(shù)據(jù)作為機(jī)體重力加速度的測(cè)量結(jié)果。由互補(bǔ)濾波器估計(jì)的重力加速度矢量為旋轉(zhuǎn)矩陣R的第3行，其與加速度傳感器測(cè)量的重力加速度的單位矢量的偏差，即為俯仰和滾轉(zhuǎn)角誤差，其值為兩個(gè)矢量的叉乘。以上小型四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，使用加速度斱程描述飛行器的位移，使用角加速度斱程描述飛行器的姿態(tài)角，因此飛行控制算法需要完成對(duì)位置和姿態(tài)兩個(gè)環(huán)節(jié)的控制。在動(dòng)力學(xué)模型的根底上，將小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。討論和方案通過(guò)大三上學(xué)期的學(xué)習(xí)與制作，我們對(duì)基于傳感器的飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)有了整體的設(shè)計(jì)框架，學(xué)習(xí)了傳感器：加速度傳感器、陀螺儀和數(shù)字羅盤(pán)，在本學(xué)期也制作了一個(gè)基于A(yíng)D*L345加速度傳感器的指控小車(chē)，運(yùn)用操作簡(jiǎn)單的89C51單片機(jī)進(jìn)展控制，通過(guò)對(duì)AD*L345的控制讀取*，y，z軸的加速度數(shù)值，一方面顯示到1602液晶屏上進(jìn)展實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)控制，另一方面通過(guò)單片機(jī)控制小車(chē)遙控模塊，實(shí)現(xiàn)手拿加速度傳感器便可以如實(shí)的模擬控制小車(chē)向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)獨(dú)特新穎。通過(guò)實(shí)物的設(shè)計(jì)與調(diào)試，我學(xué)會(huì)了熟練使用的AD*L345加速度傳感器，并能夠通過(guò)II2C總線(xiàn)模式控制傳感器。如下是我們的設(shè)計(jì)框圖：圖3基于A(yíng)D*L345加速度傳感器的指控小車(chē)原理框圖在上學(xué)期學(xué)習(xí)了工程所需的硬件知識(shí)后，我們將會(huì)按照如下分工進(jìn)展實(shí)物的制作與調(diào)試：組長(zhǎng)：惠明通負(fù)責(zé)硬件電路的設(shè)計(jì)與制作組員：王瑜敏負(fù)責(zé)相關(guān)傳感器的操作，學(xué)習(xí)ARM32的使用組員：羅進(jìn)負(fù)責(zé)軟件編程這學(xué)期學(xué)會(huì)了使用AD*L345加速度傳感器后，我會(huì)在下學(xué)期的時(shí)候努力學(xué)習(xí)陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)的使用，與組員們團(tuán)結(jié)協(xié)作，將實(shí)物在下學(xué)期的時(shí)候制作出來(lái)并進(jìn)展調(diào)試與檢測(cè)。附錄：〔原理圖、PCB、源代碼等，不超過(guò)3頁(yè)〕1、利用AD*L345傳感器制作的指控小車(chē)的實(shí)物圖2、以下代碼為使用AD*L345加速度傳感器獲取*，y，z軸的加速度值，通過(guò)89SC51單片機(jī)控制液晶屏顯示的局部程序：//********AD*L345.C*include<REG51.H> *include<math.h>//Keillibrary *include<INTRINS.H>*include<dingyi.h>*include<1602.h>*include<Reluctance.h>*include<*ianshi.h>voidmain(){unsignedinti;delay(500); init_();Init_AD*L345();while(1)//循環(huán){delay(100);Multiple_read_SHEBEI(0*A6,0*32);display_*();//---------顯示*軸display_y();//---------顯示Y軸display_z();//---------顯示Z軸 delay(100);}}//************************ianshi.H}//**********************Reluctance.h*****voidSingle_Write_SHEBEI(ucharSlaveAddress,ucharREG_Address,ucharREG_data){IIC_Start();//起始信號(hào)SHEBEI_SendByte(SlaveAddress);//發(fā)送設(shè)備地址+寫(xiě)信號(hào)SHEBEI_SendByte(REG_Address);//內(nèi)部存放器地址，請(qǐng)參考中文pdfSHEBEI_SendByte(REG_data);//內(nèi)部存放器數(shù)據(jù)，請(qǐng)參考中文pdfIIC_Stop();//發(fā)送停頓信號(hào)}//******************************************************voidMultiple_read_SHEBEI(ucharSlaveAddress,ucharaddress){uchari;IIC_Start();//起始信號(hào)SHEBEI_SendByte(SlaveAddress);//發(fā)送設(shè)備地址+寫(xiě)信號(hào)SHEBEI_SendByte(address);//發(fā)送存儲(chǔ)單元地址，從0*32開(kāi)場(chǎng) IIC_Start();//起始信號(hào)SHEBEI_SendByte(SlaveAddress+1);//發(fā)送設(shè)備地址+讀信號(hào) for(i=0;i<6;i++)//連續(xù)讀取6個(gè)地址數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)中BUF{BUF[i]=SHEBEI_RecvByte();//BUF[0]存儲(chǔ)0*32地址中的數(shù)據(jù)if(i==5){SHEBEI_SendACK(1);//最后一個(gè)數(shù)據(jù)需要回NOACK}else{SHEBEI_SendACK(0);//回應(yīng)ACK}}IIC_Stop();//停頓信號(hào)Delay5ms();}voidInit_AD*L345(){Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*31,0*0B);//測(cè)量*圍,正負(fù)16g，13位模式Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*2C,0*08);//速率設(shè)定為12.5參考pdf13頁(yè)Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*2D,0*08);//選擇電源模式參考pdf24頁(yè)Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*2E,0*80);//使能DATA_READY中斷Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*1E,0*00);//*偏移量根據(jù)測(cè)試傳感器的狀態(tài)寫(xiě)入pdf29頁(yè)Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*1F,0*00);//Y偏移量根據(jù)測(cè)試傳感器的狀態(tài)寫(xiě)入pdf29頁(yè)Single_Write_SHEBEI(0*A6,0*20,0*05);//Z偏移量根據(jù)測(cè)試傳感器的狀態(tài)寫(xiě)入pdf29頁(yè)}//*****************************dingyi.h*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedint *defineDataPortP0 //LCD1602數(shù)據(jù)端口sbit SCL=P1^0;//IIC時(shí)鐘引腳定義sbit SDA=P1^1;//IIC數(shù)據(jù)引腳定義sbitRS=P2^0;//LCD1602命令端口 sbitRW=P2^1;//LCD1602命令端口 sbitE=P2^2;//LCD1602命令端口//*define SlaveAddress0*3C //定義器件在IIC總線(xiàn)中的從地址//ucharSlaveAddress;typedefunsignedcharBYTE;typedefunsignedshortWORD;BYTEBUF[8];//接收數(shù)據(jù)緩存區(qū) ucharge,shi,bai,qian,wan;//顯示變量intdis_data;float*1;floatY1;floatZ1;int*;inty;intz;intH*;intHy;voidDisplayOneChar(uchar*,ucharY,ucharDData){ Y&=1; 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