四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設(shè)計(jì)

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的深入發(fā)展，各行各業(yè)的科技水平均獲得了明顯的提升，能源、微電子等技術(shù)的應(yīng)用，為科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。四旋翼飛行器有著優(yōu)良的飛行安全保障，其明顯的優(yōu)勢(shì)性能已經(jīng)在當(dāng)前獲得了相關(guān)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。為了更好地滿足四旋翼飛行器的應(yīng)用要求，和實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的控制平臺(tái)和硬件電路的設(shè)計(jì)，就要對(duì)四旋翼飛行器的飛行原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，提出優(yōu)化性建議，采用多傳感器技術(shù)對(duì)四旋翼飛行器硬件的電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以便為四旋翼飛行器的進(jìn)一步研發(fā)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；多傳感器；電路設(shè)計(jì)；硬件

中圖分類號(hào)：V249.1

近些年來，諸多新技術(shù)促進(jìn)了多個(gè)行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新能源、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、微慣導(dǎo)技術(shù)和飛行控制技術(shù)的全面發(fā)展和應(yīng)用，促使四旋翼飛行器的技術(shù)與結(jié)構(gòu)獲得了極大的改善，并且動(dòng)力性能也得到了一定的優(yōu)化。四旋翼飛行器的多傳感器也因此被賦予了更多的關(guān)注，對(duì)其的控制方法也有了明顯的突破性研究進(jìn)展。四旋翼飛行器擁有多個(gè)傳感器硬件設(shè)備和多個(gè)直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)高階非線性、多變量、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)飛行姿態(tài)和飛行的控制就相應(yīng)提高了要求，因此，對(duì)四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設(shè)計(jì)做深入的研究，是進(jìn)一步保障四旋翼飛行器安全飛行的必要之舉。

1 四旋翼飛行器概述

四旋翼飛行器，是一個(gè)具有四個(gè)螺旋槳的飛行器，與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，它的特點(diǎn)是機(jī)械機(jī)構(gòu)相對(duì)簡單、螺旋槳體積更小、飛行的安全保障系數(shù)更高、智能控制算法比較先進(jìn)。四旋翼飛行器的四個(gè)螺旋槳也呈交叉結(jié)構(gòu)，相對(duì)的四個(gè)旋翼共有兩組，四旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，兩組的旋轉(zhuǎn)方向不同，四旋翼飛行器只能夠通過改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度來完成各種動(dòng)作。四旋翼飛行器實(shí)質(zhì)上就是一種六自由度的垂直起降機(jī)，因此非常適合準(zhǔn)靜態(tài)或靜態(tài)條件下進(jìn)行起飛，但是四旋翼飛行器有四個(gè)輸入力、卻同時(shí)存在六個(gè)輸出，因此是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。所謂的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)指的是輸入少、輸出多的系統(tǒng)。一般來講，旋翼式直升機(jī)的螺旋槳能夠?qū)崿F(xiàn)傾角變化，而四旋翼飛行器前后和左右兩組螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向卻相反，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的速度能夠改變升力，進(jìn)而能夠改變四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)和飛行位置。

2 四旋翼飛行器的飛行原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

四旋翼飛行器的四個(gè)螺旋槳呈交叉結(jié)構(gòu)，交叉的螺旋槳呈兩條正方形對(duì)角線狀，安裝在四個(gè)槳臂末端頂點(diǎn)的螺旋槳分別由電機(jī)相連接，處在一條對(duì)角線上的兩個(gè)螺旋槳有著相同的旋轉(zhuǎn)方向，這樣的結(jié)構(gòu)才能保持整個(gè)系統(tǒng)扭矩的平衡。所以改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度，才能使四旋翼飛行器在其慣性參考坐標(biāo)系中產(chǎn)生六自由度的運(yùn)動(dòng)，其中包括了三個(gè)沿著坐標(biāo)軸方向的線性運(yùn)動(dòng)，如飛行器的起飛和降落、左右側(cè)飛和前進(jìn)后退，也包括了三個(gè)坐標(biāo)軸方向的角運(yùn)動(dòng)如俯仰、橫滾和偏航，并能夠在小范圍的區(qū)域進(jìn)行垂直起飛和降落，維持穩(wěn)定的盤旋和使飛行器能夠準(zhǔn)確向目標(biāo)飛行。

查閱文獻(xiàn)可知，哈工大工程訓(xùn)練中心自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)室在2007年就展開了對(duì)四旋翼飛行器的相關(guān)技術(shù)研究。曾經(jīng)研制出的四旋翼飛行器原型機(jī)樣由產(chǎn)生上升力的四個(gè)旋翼和四個(gè)旋翼所處的機(jī)身架構(gòu)組成，內(nèi)部有著控制板[2]。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，旋翼上又包括著四個(gè)直流無刷驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接元件和螺旋槳槳葉等，機(jī)身由兩根鋁合金十字交叉制成，于當(dāng)時(shí)通過實(shí)驗(yàn)證明了其在飛行中，能夠?qū)崿F(xiàn)多種飛行姿態(tài)。目前的四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)是以微控制系統(tǒng)作為飛行器核心，包含了傳感器系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和無刷電機(jī)系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)中包含了陀螺儀、電子羅盤和加速度計(jì)；無刷電機(jī)系統(tǒng)中包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)和無刷電機(jī)；無線通信系統(tǒng)基于遙控技術(shù)和PPM接收機(jī)、OpenGL強(qiáng)大的三維圖形功能和Visual C系統(tǒng)模塊。

3 四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的傳感器包括陀螺儀、電子羅盤和加速度計(jì)。其中，陀螺儀是飛行器控制系統(tǒng)的核心元件，它的芯片采用的是ENC系列產(chǎn)品，ENC系列產(chǎn)品是日本村田公司所生產(chǎn)。陀螺儀的單軸角速度傳感器用的是ENC-03M，它是目前較為先進(jìn)的一種技術(shù)應(yīng)用，能夠穩(wěn)定的測(cè)出角加速度的值，但也存在一定的不足，比如漂移現(xiàn)象較為嚴(yán)重，無法獨(dú)立完成準(zhǔn)確的角度值測(cè)量，需要其他的硬件和軟件的通力配合來完成。數(shù)據(jù)的處理需要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)用累加式的積分運(yùn)算方式計(jì)算得出。

電子羅盤的作用是為了解決四旋翼飛行器的橫向漂移和自旋的問題，對(duì)其電路設(shè)計(jì)也有著重要的作用，但是對(duì)電子羅盤電路設(shè)計(jì)的成本需要納入到考慮的范圍內(nèi)，目前的電子羅盤主要采用HMC1052，這是一種雙軸線性磁傳感器，并且每個(gè)傳感器上面都有著一個(gè)惠斯通橋，惠斯通橋由磁阻薄膜合金所組成，一旦在橋路上施加供電電壓，則傳感器就能夠?qū)⒋艌?chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓，電壓由此輸出，這其中的磁場(chǎng)包括了環(huán)境磁場(chǎng)和測(cè)量磁場(chǎng)。

加速度計(jì)目前多數(shù)采用MMA7260，MMA7260由美國的Freescale公司推出，是一種單芯片三軸的加速度計(jì)，具有低成本的特點(diǎn)。這種微型的電容式加速度計(jì)有著一定的優(yōu)勢(shì)，它融合了單級(jí)低通濾波器、信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)能夠提供四種加速度測(cè)量范圍，包括±1.5、±2、±4、±6。一般情況下，加速度計(jì)應(yīng)用的工作電壓為2.2-3.6V，穩(wěn)壓器采用AMS1117，將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，通過穩(wěn)定的電壓為傳感器供電。采集數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證公式X=Gsin a對(duì)該加速度計(jì)模型的正確性[3]。

在進(jìn)行上述電路設(shè)計(jì)時(shí)，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的采集一般采用12位高速芯片來采集模擬信號(hào)，芯片一般為AD高速芯片TLV2543，AD的電壓參考均以外部+3.0V電壓為準(zhǔn)，參考源芯片采用PAM3101芯片。TLV2543芯片的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)66kSPS，能夠?qū)崿F(xiàn)通過編程予以斷電，MSB/LSB可優(yōu)先選擇，其中置有自檢測(cè)模式和11信道。這種方式能夠滿足各種環(huán)境的模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，數(shù)據(jù)之間的通信則采用SPI接口來進(jìn)行。采集之后各個(gè)數(shù)據(jù)的處理關(guān)系基于陀螺儀積分出來的角度值得出，陀螺儀積分出來的角度值=加速度計(jì)反正弦轉(zhuǎn)換后的值×ACC-GYRO，ACC-GYRO為轉(zhuǎn)換系數(shù)。最后在Matlab的環(huán)境下將數(shù)據(jù)輸入工作空間，通過M函數(shù)進(jìn)行編程，以達(dá)到數(shù)據(jù)的線性擬合，通過函數(shù)曲線變化的趨勢(shì)來驗(yàn)證加速度計(jì)的采樣數(shù)據(jù)即X=Gsin a的正確性。

4 結(jié)束語

綜上所述，四旋翼飛行器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)被賦予了更多的關(guān)注，只有深入研究其電路原理，才能保證其飛行的安全。本文對(duì)四旋翼飛行器飛行原理和結(jié)構(gòu)做了簡要概述，并初步分析了四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設(shè)計(jì)，旨在為相關(guān)進(jìn)一步的深層次研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳延榮，王克河，王桂娟，基于MMA7260Q的數(shù)字傾角傳感器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011（26）：113-114.

[2]胡從坤，余澤宇，陳曦晨.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[J].科技廣場(chǎng)，2014（06）：51-56.

[3]肖霞，吳向榮.航天外協(xié)外購產(chǎn)品質(zhì)量控制的探索與實(shí)踐[A].第三屆中國質(zhì)量學(xué)術(shù)論壇文集[C]，2012（01）：12-15.

作者單位：廈門理工學(xué)院，福建廈門 361024