存在设计冗余的缺点,但是提高了测量精度和系统的可靠性。
综合以上三种方案,选择方案三。
1.1.4 姿态传感器方案选择与论证
方案一:九轴传感器 MPU9150。集成了加速度计、陀螺仪和磁力计,具有自校准功
能,占用电路板面积小,轴向重合度高。同时内置 DMP 用于姿态融合,直接输出四元
数,减少了 MCU 的工作负担,简化了程序开发。但是采用 IIC 通信,波特率不到 4K,
数据传输不稳定并且更新频率低。
方案二:六轴传感器 ICM20602。使用 spi 通信协议,波特率可以达到 2M。不仅噪
音比 mpu6050 小,精度比 mpu6050 高,而且陀螺仪的刷新频率达到 32K,是 mpu6050
的四倍。缺点是没有集成 DMP,得到原始的加速度计和陀螺仪数据后,利用 InvenSense
提供的算法库实现四元数的计算,才能解算出欧拉角。
考虑到飞行器对于姿态解算频率和精度的要求,本系统选择方案二。
1.2 总体方案描述
本系统以 TM4C123G 为控制核心。采用激光测距模块、气压计和加速度计 检测高
度,ICM20602 六轴姿态传感器采集姿态角数据,使用光流模块实现定点悬停,并配合
室内定位模块获取无人机此时的坐标,OpenMV 进行目标追踪和空中避障。主控核心
TM4C123G 处理来自各传感器的数据后,使用串级 PID 控制器实现飞行器的平稳飞行,
并运用 FSM 有限状态机设计方法完成整个灭火任务。
二、理论分析与计算
2.1 飞行建模
四旋翼飞行器是一个非线性、多变量、高度耦合、欠驱动的系统,具有 6 个自由度,
4 个输入量。控制系统较为复杂,提出以下假设:
1)机体坐标系的原点为飞行器的质心,并且与飞行器几何中心重合;
2)只考虑螺旋桨产生的气流,而空气流动速度及空气阻力忽略不计;
3)飞行器机体与螺旋桨均为刚体结构,机体的几何构造及质量对称;
4)螺旋桨旋转时产生的反扭矩与转速的平方成正比,螺旋桨产生的升力与转速的平
方成正比。
根据以上条件,设 F 为飞行器受到的外力和,m 为飞行器质量,V 为飞行速度,M
为飞行器所受力矩之和,H 是飞行器相对于导航坐标系的相对动量矩。根据 Newton-Euler
方程得到平移方程: