四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)

田 博,高學(xué)彬,寧 鵬,蔡建羨（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系,北京 101601）

四軸飛行器的研究與設(shè)計(jì)

田 博,高學(xué)彬,寧 鵬,蔡建羨
（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系,北京 101601）

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于ARM單片機(jī)控制的四軸飛行器，飛控系統(tǒng)發(fā)送信號給位于各軸的無刷電子調(diào)速器，電子調(diào)速器驅(qū)動直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過控制各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度來調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)，通過這樣的控制機(jī)制，大大的減輕了機(jī)身的重量，增強(qiáng)了其實(shí)用性和拓展性。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；運(yùn)動控制系統(tǒng)；運(yùn)動執(zhí)行模塊

1　引言

四軸飛行器由于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以在各種復(fù)雜的環(huán)境中飛行，因性能更加的穩(wěn)定，優(yōu)勢逐漸突出，已經(jīng)在許多領(lǐng)域非常廣泛的應(yīng)用前景，我們所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器以ARM為核心，搭建飛行器硬件平臺，并基于此平臺，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。，完成了系統(tǒng)的主控模塊、傳感器模塊、執(zhí)行模塊的硬件選型及電路設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)是一種十字交叉四旋翼結(jié)構(gòu)，由四個(gè)電機(jī)驅(qū)動的、可垂直起降的，多旋翼式遙控自主飛行器。與傳統(tǒng)的無人飛行器相比，四旋翼飛行器具有機(jī)動性強(qiáng)，體積小，可以快速改變姿態(tài)。

2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思想

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變四個(gè)旋翼的升力，從而控制四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)。并針對四旋翼飛行器，采用了一種基于四元數(shù)法和卡爾曼濾波的姿態(tài)控制算法，然后通過分析卡爾曼濾波處理的姿態(tài)數(shù)據(jù)和未經(jīng)處理的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硬件和軟件的功能和可行性，實(shí)現(xiàn)了對四旋翼飛行器自動駕駛儀姿態(tài)和航向的準(zhǔn)確測量。通過對四旋翼飛行器自動駕駛儀平臺的設(shè)計(jì)和研究，提高了四旋翼飛行器系統(tǒng)的可靠性，降低四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)成本。

2.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

根據(jù)四軸飛行器的特點(diǎn)，我們采用主從控制設(shè)計(jì)出了整個(gè)控制系統(tǒng)，如圖2所示，運(yùn)動控制系統(tǒng)是四旋翼飛行器最關(guān)鍵的部分，開發(fā)的運(yùn)動控制系統(tǒng)由姿態(tài)解算模塊、導(dǎo)航模塊、運(yùn)動執(zhí)行模塊組成。姿態(tài)解算模塊和導(dǎo)航模塊均由高性能飛行控制器實(shí)現(xiàn)，姿態(tài)解算模塊能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)解算得出四旋翼飛行器的姿態(tài)信息并通過導(dǎo)航模塊得到四旋翼飛行器所在位置信息以作為導(dǎo)航的參考，最后將收到的命令和現(xiàn)有的信息聯(lián)合處理得到目標(biāo)姿態(tài)并輸送給運(yùn)動執(zhí)行模塊，運(yùn)動執(zhí)行模塊由直流無刷電機(jī)電子調(diào)速器實(shí)現(xiàn)。

（1）姿態(tài)解算模塊:姿態(tài)解算是四旋翼飛行器平臺上最基礎(chǔ)的部分，由ARM處理器完成，他的目的在于將控制板上的10軸傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波融合最終估計(jì)出四旋翼飛行器的姿態(tài)向量。采用的硬件是6軸傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)以及三軸磁阻傳感器，由該模塊處理后得到的信息包括飛行器的速度、位移、航向角等。

（2）導(dǎo)航模塊:導(dǎo)航功能由北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)字氣壓傳感器構(gòu)成，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)勢：

第一是北斗系統(tǒng)有斜軌道衛(wèi)星，在遮擋物復(fù)雜的地形、地表的定位信號更強(qiáng)、精度更高；

第二是北斗系統(tǒng)支持短報(bào)文傳訊功能，終端設(shè)備不僅能接受到北斗的定位信號，還能發(fā)送終端訊息到衛(wèi)星或者到調(diào)控中心。

四旋翼飛行器所采用的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的支持下，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的規(guī)劃路徑移動，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的導(dǎo)航功能。

（3）運(yùn)動執(zhí)行模塊:運(yùn)動執(zhí)行模塊由四旋翼飛行控制器和直流無刷電機(jī)電子調(diào)速器以及直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)電子調(diào)速器控制器，四旋翼四個(gè)臂的均由一個(gè)單獨(dú)的電調(diào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制信號由四旋翼飛行器的主控板通過算法計(jì)算得出并通過I2C協(xié)議傳給各個(gè)電調(diào)的控制芯片，設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流無刷電機(jī)，舵機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，可替代直流電機(jī)調(diào)速、變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速，適用于那些需要大力矩高功率的動力系統(tǒng)。

2.3 遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)由協(xié)議開源的遙控手柄和四旋翼飛行器上的無線模塊構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上加上PA和LNA以擴(kuò)大無線發(fā)送的功率從而增大通訊距離，采用雙模模式運(yùn)行。遙控器有兩個(gè)搖桿通過模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得鍵位的位置，以及兩個(gè)按鍵擴(kuò)充功能，整合后通過通信協(xié)議發(fā)送一幀數(shù)據(jù)包括所有的鍵位信息，四旋翼飛行器也通過無線模塊將自身的各項(xiàng)信息指標(biāo)發(fā)往遙控器上，顯示在液晶屏中，例如電量、姿態(tài)、轉(zhuǎn)速、飛行高度等。

2.4 電源系統(tǒng)

電源是四旋翼飛行器的動力來源，它為四旋翼飛行器提供傳輸、控制和運(yùn)動等任何行為的所有能源。電源系統(tǒng)主要包括：電池，電源監(jiān)控模塊，電壓分配模塊等，

四旋翼飛行器上電后。電機(jī)調(diào)速器開始測量電壓，若電壓過低則電機(jī)會發(fā)出報(bào)警的聲音然后自動停轉(zhuǎn)，若電壓正常則驅(qū)動電機(jī)開始保持低速旋轉(zhuǎn)并等待下一步指令。等待四旋翼飛行器送出的I2C協(xié)議的數(shù)據(jù)驅(qū)動電機(jī)。

3　結(jié)論

論文基于ARM單片機(jī)，設(shè)計(jì)了飛行控制機(jī)器人，測試實(shí)驗(yàn)表明，飛行性能較理想。設(shè)計(jì)的飛行機(jī)器人具有無線通訊功能的多PID調(diào)節(jié)控制姿態(tài)的四旋翼飛行器，屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域。同時(shí)，也為工科院校的控制理論課程和機(jī)器人設(shè)計(jì)課程提供一種實(shí)驗(yàn)研究平臺。

參考文獻(xiàn)

[1]梁延德,程敏,何福本,李航.基于互補(bǔ)濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算[J].傳感器與微系統(tǒng),2011(11).

[2]聶博文，馬宏緒，王劍，王建文。微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007(06).

[3]劉乾,孫志鋒.基于ARM的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2011(10).

作者簡介：田博（1993-），男，學(xué)生,甘肅白銀人，防災(zāi)科技學(xué)院2013級本科生，主要學(xué)習(xí)和研究基于單片機(jī)的控制。