四旋翼飛行器智能控制系統(tǒng)設(shè)計

阮仁全

摘 要 四旋翼飛行器在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是四旋翼飛行器控制系統(tǒng)十分復雜，因此本文以AVR單片機為控制核心，設(shè)計具有紅外傳感器智能避障的控制算法，并且擁有良好穩(wěn)定性的飛行系統(tǒng)的四旋翼飛行器。在此基礎(chǔ)上加裝遠程圖像實時傳輸系統(tǒng)，將圖像實時傳輸回來，從而能做出圖像的實時處理。這樣才可讓飛行器在搶險救災、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域中有效工作，獲得可靠信息，凸顯飛行器的實用價值。

關(guān)鍵詞 AVR單片機 避障 圖像傳輸系統(tǒng) 控制算法 搶險救災

一、引言

在一些場合四旋翼飛行器發(fā)揮著特有的優(yōu)勢和重要的作用。四旋翼飛行器機動靈活性強，有高度的機動性和有效承載力。四旋翼飛行器可以在懸空靜止的狀態(tài)下瞬時改變其姿態(tài)。本文以AVR單片機為控制核心，控制陀螺儀加速計，實現(xiàn)姿態(tài)的控制。利用紅外傳感器可探測障礙信息，將信息反饋給單片機，做出適當?shù)拇胧┻M行避障。配以無線遙控模塊，可以實現(xiàn)遠程操作控制。與此同時，加上無線視頻模塊輔助，可進行高空拍攝，并將圖像信息實時傳遞，進行無線視頻監(jiān)控，獲取的圖像傳回指定的服務(wù)器上，給工作人員提供必要信息做出決策。

二、四旋飛行器的飛行控制原理

四旋翼飛行器是由2對槳翼組成，飛行動力由這兩對旋翼提供的。通常的情況是，只要控制每一個旋翼上的旋轉(zhuǎn)速度，而槳葉的槳矩角和旋翼軸均不變。因為飛行器的的各種姿態(tài)是由這兩對的槳翼產(chǎn)生的升力和扭力來控制的。槳葉的槳矩角沒有必要來調(diào)節(jié)。每對旋翼上安裝正反一對的槳葉。這樣，在飛行時正反槳所產(chǎn)生的槳距正好相反，轉(zhuǎn)矩便可以相互抵消。這樣就達到了整個飛行器的轉(zhuǎn)矩平衡，不會出現(xiàn)打轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當要改變飛行器的的飛行角度時，改變總的轉(zhuǎn)矩，即加大兩個正槳或反槳的轉(zhuǎn)矩即可實現(xiàn)。四旋翼飛行器的飛行速度則是由俯仰角和電機的轉(zhuǎn)動速度共同決定的。通過這兩者可以達到控制飛行器的目的。圖1為飛行器的飛行原理圖。

（一）四旋翼飛行器的硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計

本飛行器的硬件及結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是由：支撐部分、旋翼部分、飛行控制部分、紅外避障部分、無線遙控部分以及無線圖像傳輸部分組成。

1、支撐部分和旋翼部分

支撐部分即飛行器主機架，由高強度高韌性工程尼龍板、鋁合金方管、不銹鋼高強度螺絲構(gòu)成，軸矩為550mm，可折疊設(shè)計，簡單操作。旋翼部分由電機、槳葉組成。從性能和總重量考慮，選用新西達A2212無刷直流電機，重量48克，選擇kv值為1000，扭力大。選用工作電壓11V，電流 9.9A，轉(zhuǎn)速7130轉(zhuǎn)，推力650克的電機?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電機的占空比來調(diào)節(jié)電壓，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。根據(jù)kv值高配小槳，kv值低配大槳，因此采用與之相應(yīng)的1045大槳。

（二）飛行控制部分

本飛行器的飛行控制部分主要是由：無刷電調(diào)部分、陀螺儀傳感器、加速度傳感器、大氣壓傳感器等部分組成。

1、無刷電調(diào)部分

由于無刷電機使用的是三相交流電，和有刷電機不同，沒有電刷。因此要把電池的直流電引入，用電調(diào)轉(zhuǎn)化為三相交流電，從而啟動無刷電機。同時，電調(diào)也起著將電機和單片機相連的作用，因為電機工作是需要大電流和大電壓，如果直接將單片機供給大電流的話，單片機則會因電流過大而直接燒毀，不用外部單片機無法提供足夠的電壓電流。因此本文選用了兼容性好的30A的SkyWalker電調(diào)。該電調(diào)自帶PID控制器，能很好地控制電機，讓飛行器平穩(wěn)的在空中懸停、飛行。

2、陀螺儀傳感器

為了采集飛行器三個方向的角速率，本文中采用了3個角速度陀螺儀，型號是ENC-03R?？刂破骺赏ㄟ^對陀螺儀輸出的角加速度進行積分計算獲得飛行時要偏離的角度。

3、加速度傳感器

由于陀螺儀使用是會出現(xiàn)溫度漂移現(xiàn)象，在做完一次相反方向的旋轉(zhuǎn)后，陀螺儀的積分并不為零，存在偏差，在ENC-03R上偏差較厲害些。如果不加以處理出便會出現(xiàn)問題。因此必須用加速度傳感測得數(shù)據(jù)，然后對所獲得的數(shù)據(jù)加以修正補償。同時，有一種更好修正補償，就是在此基礎(chǔ)上融入卡曼濾波的方法。本文采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7360型號的加速度傳感器。

4、大氣壓傳感器

在本系統(tǒng)采用了采用了常用的飛思卡爾公司生產(chǎn)的型號MPX4115大氣壓傳感器，此傳感器主要作用是控制飛行器的飛行高度。

（三）紅外避障模塊

為了增強飛行器的適應(yīng)性，增加了避障模塊。本系統(tǒng)采用廣泛運用的紅外避障模塊。紅外傳感器是一種比較有效的接近覺傳感器。避障傳感器通常是一個紅外發(fā)射電路和紅外接收電路組成，這個紅外接收管對38KHz的頻率比較敏感，紅外發(fā)射管發(fā)射這個波段的紅外線，當碰到障礙物后，紅外波被反射回來，接收管接收到，就可以判斷這個方向上有無障礙物。紅外傳感器的電路如下圖2所示。

（四）無線遙控模塊

為了實現(xiàn)遠程無線遙控，設(shè)計中采用了藍牙傳輸模塊。通過將與AVR單片機相連，PC機可以通過藍牙發(fā)送器將控制命令傳遞給飛行控制板上的藍牙接收器，當藍牙接收器接受到命令后，可將命令通過UART通訊傳給AVR，再由AVR單片機發(fā)出PPM波傳送到姿態(tài)控制模塊，來控制飛行器的飛行姿態(tài)。

（五）無線視頻模塊

為了解飛行器經(jīng)過地方的信息，需要進行圖像采集并進行無線傳輸。本設(shè)計中，采用的了COMS 208型彩色無線攝像頭。攝像頭芯片內(nèi)自帶壓縮算法，使得所得圖片數(shù)據(jù)量較小，便于數(shù)據(jù)的無線傳輸。數(shù)據(jù)傳輸采用FM調(diào)制，之后接收端經(jīng)解調(diào)后將圖像解壓。得到的圖像通過視頻采集卡傳送到上位機上。

三、系統(tǒng)設(shè)計

整個硬件系統(tǒng)的設(shè)計如下圖3所示：

四、軟件設(shè)計

相對硬件設(shè)計，軟件設(shè)計才是本設(shè)計的難點。因此，本系統(tǒng)采用了C語言編程來完成軟件方面的設(shè)計。其功能主要為，完成接收控制指令，對飛行器的姿態(tài)進行控制，完成紅外探測到障礙物的避障處理，以及遠程視頻圖像的傳輸。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)中的飛行器姿態(tài)控制是最難的，要完成好姿態(tài)的控制必須對陀螺儀采集回來的信息做好相應(yīng)的處理，但前提是陀螺儀采集的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定可靠的。但陀螺儀存在溫度漂移，所以應(yīng)做好修正和補償。修正前后的陀螺儀波形如圖4和如圖5所示。

可以看出修正好后的陀螺儀積分就可以收斂了。這樣便可以較好完成姿態(tài)控制了。只有保持好飛行姿態(tài)，其他模塊的工作才有意義，才能得以進行，擁有了好的控制算法并配上各模塊的協(xié)調(diào)工作，飛行器便可以在實際生活多領(lǐng)域得以廣泛運用。

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（作者單位：重慶市工業(yè)高級技工學校）