四旋翼自主飛行器

杜永博 王欣偉 石航

摘 要 四旋翼飛行器是一種以4個(gè)電機(jī)為動(dòng)力系統(tǒng)的裝置，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制飛行器飛行的高度與飛行速度。本系統(tǒng)以瑞薩R5F100LEA為主控芯片，其具有程序運(yùn)行速度快，控制方便快捷等優(yōu)點(diǎn)；4個(gè)旋翼的電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子A2212/10T 1400KV無(wú)刷電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速極快，應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)；同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)尋跡模塊，陀螺儀，超聲波模塊，控制飛行器的運(yùn)行軌跡、飛行穩(wěn)定性以及飛行高度；尋跡模塊采用激光傳感器對(duì)軌道黑線進(jìn)行尋跡，其具有速度快，精度高，量程大等優(yōu)點(diǎn)；超聲波模塊采用最常見(jiàn)的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，可提供2cm～400cm非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度高達(dá)3mm。結(jié)合單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊的控制協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的控制飛行的目的。

關(guān)鍵詞 四旋翼飛行器 傳感器 控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

四旋翼飛行器作為低空低成本的遙感平臺(tái)，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相比其他類(lèi)型的飛行器，四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，而軟件復(fù)雜。本文介紹四旋翼飛行器的實(shí)現(xiàn)方案，包括硬件設(shè)計(jì)，軟件算法。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

硬件部分主要由主控模塊，尋跡模塊、高度檢測(cè)模塊，電磁鐵模塊、電源模塊組成。下面分別介紹各個(gè)模塊。

1.1 尋跡模塊的選擇

激光傳感器由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等，能非常準(zhǔn)確地測(cè)出電動(dòng)車(chē)與障礙物的距離，當(dāng)垂直接受時(shí)，檢測(cè)距離可達(dá)1.2米，因此符合本設(shè)計(jì)要求。

1.2 垂直距離檢測(cè)模塊的選擇

此模塊采用常見(jiàn)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.3 電磁鐵模塊的選擇

用繼電器改裝電磁鐵，根據(jù)電磁鐵通斷電流控制磁力大小的原理，繼電器內(nèi)部線圈的控制與電磁鐵原理十分相似，因此可以利用繼電器內(nèi)部的通電線圈制作成電磁鐵。

1.4 電源模塊的選擇

采用直流電池供電，相應(yīng)產(chǎn)生電池容量小、續(xù)航時(shí)間短和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。但此設(shè)計(jì)本身對(duì)電源要求不高，而且飛行器飛行時(shí)間相隨較短，采用11.0V蓄電池為控制系統(tǒng)的電調(diào)供電，經(jīng)電調(diào)可輸出5V電壓，為單片機(jī)以及各個(gè)傳感器供電。而且用此電池可支持飛行器續(xù)航10分鐘以上，因此無(wú)需擔(dān)心電池電量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

2.1 陀螺儀的分析與計(jì)算

對(duì)于陀螺儀等靜止時(shí)0輸出的傳感器，可以很方便的校正零偏。把傳感器固定好，這時(shí)對(duì)輸出值求平均值，得到的A即為零偏。實(shí)際使用時(shí)，把得到的值減去零偏，得到的就是校正值。A為零偏值，3*1矩陣，單位：LSB；Yi為校正好的值，3*1矩陣，單位：red/s；Xi為測(cè)量原始值，單位：LSB；gain為轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位（red/s）/LSB，有傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)給出。

2.2 姿態(tài)的表示

飛行器的姿態(tài)，是指飛行器的指向，一般用三個(gè)姿態(tài)角表示，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。更深一層，姿態(tài)其實(shí)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，表示機(jī)體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，這里定義姿態(tài)為機(jī)體坐標(biāo)系向地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。旋轉(zhuǎn)變換有多種表示方式，包括變換矩陣、姿態(tài)角、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角、四元數(shù)等。

因?yàn)樽藨B(tài)實(shí)質(zhì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，根據(jù)剛體有限轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉定理，旋轉(zhuǎn)變換是可以串聯(lián)的，所以一個(gè)姿態(tài)可以經(jīng)過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)變換，變成另一個(gè)姿態(tài)。類(lèi)比點(diǎn)和向量的概念，姿態(tài)相當(dāng)于點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于向量，點(diǎn)可以通過(guò)加向量，變成另一個(gè)點(diǎn)。如果用矩陣表示旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的串聯(lián)由矩陣乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)，則由四元數(shù)的乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)串聯(lián)。

用四元數(shù)來(lái)表示旋轉(zhuǎn)，組合旋轉(zhuǎn)時(shí)比用其他方法運(yùn)算量更少，所以無(wú)論在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、飛行器控制等涉及剛體旋轉(zhuǎn)的領(lǐng)域，四元數(shù)都有舉足輕重的地位。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)主要完成對(duì)飛行器飛行過(guò)程中飛行的平衡、飛行時(shí)間與飛行速度的控制，通過(guò)陀螺儀與加速度計(jì)完成飛行器的平衡與速度調(diào)節(jié)控制，符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，界面友好，已投入使用。

參考文獻(xiàn)

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