四旋翼自主飛行器系統(tǒng)

胡琴　施雅　陳嘉聰　邢洋

【摘 要】四旋翼飛行器是一種外形新穎，性能優(yōu)越的垂直起降飛行器，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等特點，在災(zāi)區(qū)救援，軍事運輸上有重要價值，越來越被人們所關(guān)注。本系統(tǒng)利用R5F100LEA單片機作為主控芯片，配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使其能穩(wěn)定懸停.同時采用攝像頭循黑線并檢測黑圓區(qū)域確定著陸位置，而超聲波測距模塊也保證了飛行器處于指定的高度。

【關(guān)鍵詞】四旋；飛行器；飛行姿態(tài)；控制

1.系統(tǒng)方案論證與比較

方案一：利用R5F100LEA單片機配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使其能穩(wěn)定懸停，同時采用攝像頭循黑線到達目的地。

方案二：通過MPU6050控制飛行器姿態(tài)，采用GPS定位，引導(dǎo)飛行器到達預(yù)定位置。

方案三：利用R5F100LEA單片機配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使飛行器穩(wěn)定懸浮且無自轉(zhuǎn)，然后通過軟件調(diào)試飛行器走直線并通過延時程序控制飛行器降落。

方案一采用攝像頭循黑線，程序設(shè)計較復(fù)雜，但可行性高，且具有一定抗干擾能力；方案二中GPS信號受環(huán)境影響，定位精度差；方案三軟件調(diào)試任務(wù)大，且不具抗干擾能力，可行性差。綜合考慮，采用方案一。

2.方案設(shè)計

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個旋翼對機身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機身的反扭矩。

圖1 飛行器運動控制

3.電路與程序設(shè)計

3.1單元模塊

3.1.1飛行路線控制模塊

方案一：利用攝像頭對地面信息進行采樣，采集黑線信息，通過攝像頭使單片機控制飛行器循黑線行進。優(yōu)點是精度高，實時性強；缺點是控制較為復(fù)雜。

方案二：采用GPS定位系統(tǒng)確定起飛點A和著陸點B，引導(dǎo)飛行器從起飛點A任意路徑到達著陸點B。優(yōu)點是穩(wěn)定性高，缺點是室內(nèi)GPS定位精度低。

方案三：采用電子羅盤HMC5883，實時調(diào)整飛行方向，使飛行器沿直線行進。優(yōu)點是精度高，實時性強；缺點是只能控制飛行器直線飛行，無法檢測著陸點B，性價比低。

經(jīng)比較，方案一可行性好，性價比高，采用方案一。

3.1.2飛行姿態(tài)控制模塊

方案一：在每個飛行器軸上安裝一個傾角傳感器，通過四個傾斜角配合PID算法時單片機能控制飛行器平衡。優(yōu)點是數(shù)據(jù)精度高，采集穩(wěn)定；缺點是性價比低。

方案二：采用一個MPU6050陀螺儀采集三維空間的飛行器傾斜角，加速度，角速度，在配合相應(yīng)PID算法，控制飛行器平衡。優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集快，數(shù)據(jù)全面；缺點是控制復(fù)雜。

處于飛行器載重和性價比考慮，選擇方案二。

3.1.3投拾鐵片模塊

方案一：利用磁鐵對鐵有較強吸力的特性來拾取貼片，同時在鐵片和磁鐵之間用一層擋板隔開，并且擋板的一邊連接在一個電機轉(zhuǎn)軸上。投擲貼片時轉(zhuǎn)動電機，電機帶動擋板旋轉(zhuǎn)，擋板則帶動鐵片遠離磁鐵有效磁力范圍，使鐵片掉落。優(yōu)點：可靠性強，穩(wěn)定；缺點：電機和磁鐵重量大。

方案二：采用電磁鐵，在拾取鐵片時給電磁鐵通電，產(chǎn)生磁性吸引鐵片，投放時，關(guān)斷電磁鐵電流，磁力消失，鐵片掉落。優(yōu)點：控制方便，可靠性高，重量輕；缺點：需要強磁力時，功耗大，重量大。低磁力時，鐵片吸附不緊易脫落。

綜合考慮，選方案二。

3.1.4電機選擇模塊

方案一：采用四個直流電機做螺旋槳的動力部分。優(yōu)點：價格便宜；缺點：轉(zhuǎn)速低，提供升力小。

方案二：采用四個無刷直流電機做螺旋槳的動力部分。優(yōu)點：轉(zhuǎn)速快，提供升力大，控制精確，性價比高；缺點：價格高，需專用驅(qū)動模塊。

由于飛行器有一定載重能力，需要較大升力，所以選用方案一。

3.1.5飛行高度檢測模塊

方案一：利用激光測距傳感器測量飛行器飛行高度。優(yōu)點：精度高，抗干擾能力強；缺點：性價比低，體積和重量大。

方案二：利用超聲波測距傳感器測量飛行器飛行高度。優(yōu)點：性價比高，抗干擾能力強。

經(jīng)比較，超聲波傳感器在精度上已經(jīng)能很好的滿足系統(tǒng)需求，且重量和體積較小，所以選擇方案二。

3.2系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)原理如下圖2所示：

圖2 系統(tǒng)整體框圖

3.3單元模塊電路

飛行器驅(qū)動電路如下圖3所示：

圖3 飛行器驅(qū)動電路

電池12V輸出轉(zhuǎn)5V為單片機供電如下圖4所示：

圖4 12V轉(zhuǎn)5V電路圖

4.程序設(shè)計

微小型四旋翼飛行器是一個具有六自由度（位置與姿態(tài)）和4個控制輸入（旋翼轉(zhuǎn)速）的欠驅(qū)動系統(tǒng)。姿態(tài)控制是整個飛行控制的關(guān)鍵，因為四旋翼飛行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系（俯仰/橫滾直接引起機體向前后/左右移動），如果能精確控制飛行器姿態(tài)，則采用PID控制律就足以實現(xiàn)其位置與速度控制。

圖5 程序流程圖

5.測試方案與測試結(jié)果

5.1測試方法

a.一鍵式起飛，記錄飛行器由A區(qū)到達B區(qū)的時間t1。

b.一鍵式起飛，記錄飛行器由B區(qū)到達A區(qū)的時間t2。

c.一鍵式起飛，飛行器拾取鐵片，從示高線上方由A區(qū)飛到B區(qū)上空投放鐵片，并返回A區(qū)降落.記錄這段飛行的時間t3（最多允許測試兩次）。

5.2測試結(jié)果

以上測試結(jié)果如下表1所示：

表1 測試結(jié)果

5.3測試結(jié)果分析

飛行器能較好的完成由A區(qū)到B區(qū)，或者B區(qū)到A區(qū)，拾取/投放鐵片等動作，且飛行速度快。但由于飛行器處于動態(tài)平衡，會在小范圍內(nèi)顫動，導(dǎo)致鐵片在空中投擲后落點無法準確控制。 [科]

【參考文獻】

[1]清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

[3]李俊.四旋翼飛行器的動力學(xué)建模及PID控制[J].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，31（1）：114-117.

[4]岳基隆.微小型四旋翼無人機研究進展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J]北京：電光與控制，2010，17（10）：46-52.

[5]楊明志.四旋翼微型飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].北京：計算機測量與控制，2008，16（4）：485-490.