基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

高光耀 馬文來 劉安

摘要：本文基于WIFI無線傳輸技術(shù)，通過建立四旋翼飛行器的空氣動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際需求分析，通過單片機(jī)總控，各功能模塊有機(jī)整合，優(yōu)化軟硬件設(shè)計(jì)，完成最終制作調(diào)試，實(shí)現(xiàn)飛行器的自由巡航、懸停、降落和視頻探測(cè)等功能，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：WIFI;四旋翼;飛行器

1.引言

四旋翼飛行器是一種可以實(shí)現(xiàn)垂直起降的旋翼式無人飛行器，具有操控簡(jiǎn)單，體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，啟動(dòng)快，方便拍攝等優(yōu)點(diǎn)，能及時(shí)地將諸如地震、礦難等特殊現(xiàn)場(chǎng)第一手資料傳送回控制中心，幫助我們了解現(xiàn)場(chǎng)狀況并作出正確判斷[1]。

國外對(duì)旋翼式飛行器的研究較多且較深入，我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，成果相對(duì)較弱，并且側(cè)重點(diǎn)有所不同，有的側(cè)重?cái)?shù)學(xué)建模，有的側(cè)重自動(dòng)控制與研發(fā)等等[2]。

本文于是針對(duì)自然災(zāi)害等特殊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了一種基于WIFI的智能多功能四旋翼飛行器，采用獨(dú)立控制的四旋翼，升力更大，同時(shí)可狹小空間內(nèi)起降，還具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、操控性高及成本低等優(yōu)勢(shì)。

2.建立動(dòng)力學(xué)模型

2.1 坐標(biāo)變換

四旋翼飛行器的四個(gè)旋翼都高速旋轉(zhuǎn)，其所受的空氣動(dòng)力比較復(fù)雜，要建立非常準(zhǔn)確的空氣動(dòng)力學(xué)模型比較困難，為了簡(jiǎn)化四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型，可忽略其彈性形變[3]。為了相對(duì)準(zhǔn)確的描述飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立三維數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，也叫機(jī)體坐標(biāo)系。OX軸指向地平面方向，由右手定則確定OY軸和OZ軸的方向。用原點(diǎn)O表示飛行器的重心，則OX軸指向飛行器的前方，OY軸指向飛行器的右方，OZ軸指向飛行器的上方。地面三維坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系之間存在三個(gè)歐拉角：偏航角ψ（沿Z軸方向）、滾動(dòng)角φ（沿X軸方向）和俯仰角q（沿Y軸方向）。兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下：

，，（1）

可進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換矩陣得：

（2）

經(jīng)計(jì)算可得如下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式：

（3）

經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模則相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型

該飛行器在機(jī)體坐標(biāo)系下的受力可表示為[4]：

（4）

轉(zhuǎn)移到地面坐標(biāo)系上的線位移運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

（5）

因該飛行器飛行速度相對(duì)較低，則空氣阻力系數(shù)可以忽略不計(jì)。由歐拉方程可得角度運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

（6）

解方程化簡(jiǎn)可得：

（7）

為計(jì)算方便，做以下定義：

（8）

將公式（8）與（2）合并即得四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)方程即其數(shù)學(xué)模型：

（9）

3.硬件設(shè)計(jì)

各部分的電路設(shè)計(jì)包括：主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、電源模塊等。

3.1 主控模塊

主控電路是以STC89S52為核心組成，可通過編程控制外圍各種電路和元器件的工作。STC89S52具的FLASH存儲(chǔ)器、RAM，定時(shí)器、外部中斷等方便使用，且價(jià)格適中，性價(jià)比高[5]。

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊

選用L298N電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其工作電壓高，輸出電流最大可達(dá)3A，持續(xù)工作電流2A，額定工作頻率25W。內(nèi)含高電壓電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，控制直流電機(jī)更加簡(jiǎn)單容易。該驅(qū)動(dòng)模塊使用光耦將電壓與信號(hào)電壓分隔，增強(qiáng)了可靠性。

3.3 通信模塊

通信模塊主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，由作為主控芯片的MAX232組成，將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與路由器之間的通信。其工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高且功率低價(jià)格便宜。

3.4電源模塊

飛行器通過可充電鋰電池供電，電池電源由L7805穩(wěn)壓芯片調(diào)節(jié)電壓，內(nèi)部含調(diào)整管、過熱及過流保護(hù)，可靠性好，所需外圍元件少，且成本較低。完成電池的供電電壓平穩(wěn)，使飛行器狀態(tài)穩(wěn)定。

4.軟件設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的控制部分的作用主要體現(xiàn)在控制飛行器的巡航、起飛、降落、懸停等幾個(gè)方面，控制模塊通過采集角速度的反饋參數(shù)來調(diào)整各個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的變化。四旋翼的電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的好壞及正常工作與否直接決定了飛行器的起飛質(zhì)量。主要控制策略為：首先設(shè)置電機(jī)啟動(dòng)參數(shù)，當(dāng)電機(jī)收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)啟動(dòng)，并通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)四副旋翼旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需改變飛行姿態(tài)，即改變旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)則按收到的反饋信號(hào)改變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)的改變。

5.結(jié)論

完成硬件組裝及軟硬件綜合測(cè)試后，通過試飛獲得該基于飛行器的主要飛行參數(shù)為：飛行高度為0-100m，自重1kg，飛行速度0-36km/h，載重0-1.5kg，有效控制距離約320m。如圖2所示，飛行器各項(xiàng)參數(shù)性能良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，證實(shí)了其具有較高理論研究意義和實(shí)用價(jià)值，在軍民用領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

圖2四旋翼飛行器

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊生.四旋翼蝶形飛行器控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制方法研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007，（11）.

[2]楊慶華，宋召青，時(shí)磊.四旋翼飛行器建模，控制與仿真.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào).2009，（9）.

[3]胡宇群.微型飛行器中的若干動(dòng)力學(xué)問題研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2002.

[4]申安玉，申學(xué)仁，李云寶.自動(dòng)飛行控制系統(tǒng).國防工業(yè)出版社.2003，（5）

[5]范立南，謝子殿主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006 ，（2）.