四旋翼自主飛行器設(shè)計(jì)

湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 汪大理 王先春

四旋翼自主飛行器設(shè)計(jì)

湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院 汪大理 王先春

本文設(shè)計(jì)了一款四旋翼自主飛行器，主要設(shè)計(jì)了四旋翼自主飛行器的硬件控制電路和軟件系統(tǒng)，構(gòu)建了由MPU6050三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)組成的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，給出了姿態(tài)解算的具體步驟。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了互補(bǔ)濾波器對(duì)陀螺測(cè)量誤差進(jìn)行矯正，采用基于歐拉角反饋的PID 控制器進(jìn)行姿態(tài)控制，不需要建立復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型。該飛行器體積較小，可以垂直起飛和降落，適用范圍廣，使用靈活。

四旋翼；陀螺儀；姿態(tài)控制

引言

無(wú)人飛行器（UAV）自主飛行技術(shù)多年來(lái)一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求，例如：偵察與營(yíng)救任務(wù)，科學(xué)數(shù)據(jù)收集，地質(zhì)、林業(yè)勘探，農(nóng)業(yè)病蟲害防治，以及視頻監(jiān)控，影視制作等。通過(guò)無(wú)人飛行器來(lái)完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員安全保障。

1.四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 結(jié)構(gòu)形式

四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)根據(jù)電機(jī)的布局不同可分為十字型模式和X型模式。十字型模式四旋翼飛行器飛行姿態(tài)控制更容易，但飛行動(dòng)作靈活性要稍差。X型模式四旋翼飛行器姿態(tài)更復(fù)雜，但飛行動(dòng)作更靈活。

1.2 控制原理

四旋翼飛行器的動(dòng)作主要通過(guò)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)控制，基本控制原理：電機(jī)1和3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)正槳產(chǎn)生升力，電機(jī)2和4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機(jī)和槳使其各自對(duì)機(jī)身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消，保證4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)機(jī)身不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。電機(jī)1和4轉(zhuǎn)速減小，同時(shí)電機(jī)2和3轉(zhuǎn)速增大，產(chǎn)生向前方向的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)1和4轉(zhuǎn)速增大，同時(shí)電機(jī)2和3轉(zhuǎn)速增減小，產(chǎn)生向后方向的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)1和2轉(zhuǎn)速減小，同時(shí)電機(jī)3和4轉(zhuǎn)速增大，產(chǎn)生向左方向的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)1和2轉(zhuǎn)速增大，同時(shí)電機(jī)3和4轉(zhuǎn)速減小，產(chǎn)生向右方向的運(yùn)動(dòng)。4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)增大產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)。4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)減小產(chǎn)生向上向下的運(yùn)動(dòng)。對(duì)角線的電機(jī)一組轉(zhuǎn)速增大，另一組轉(zhuǎn)速減小產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片采用STM32RC微控制器，它采用高性能、低成本、低功耗ARM Cortex-M3內(nèi)核[2]。時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，具有64個(gè)引腳，功能強(qiáng)大。姿態(tài)控制系統(tǒng)采用MPU6050傳感器，內(nèi)部集成了加速度傳感器和角速度傳感器，并輔以三軸磁力計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)精確地采集四旋翼飛行器的實(shí)時(shí)姿態(tài)。高度控制采用超聲波傳感器，可以精確地測(cè)量四旋翼飛行器的高度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器飛行高度的控制。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了無(wú)線藍(lán)牙遙控系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊可以很方便的向四旋翼飛行器寫入遙控命令。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.2 主控板電路

圖1 系統(tǒng)框圖

基于資金和性價(jià)比考慮，設(shè)計(jì)方案中選擇STM32F103RC 單片機(jī)作為飛控系統(tǒng)的主控芯片。STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。而STM32F103RC擁有512K FLASH 以及72M主頻，芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能，有64個(gè)IO口，能夠滿足四旋翼自主飛行器的所有需求。

2.3 MPU6050及HMC5883L姿態(tài)采集電路

MPU6050內(nèi)部集成了三軸陀螺儀三軸加速度計(jì)，它們與HMC5883L三軸磁力計(jì)組成姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，主控制器將姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得到當(dāng)前姿態(tài)。

MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MPU-6050整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)InvenSense的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，可處理運(yùn)動(dòng)感測(cè)的復(fù)雜數(shù)據(jù)，降低了運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷，并為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的API。

圖2 姿態(tài)采集電路

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用PWM控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。微型四旋翼飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)和旋翼組成。電機(jī)選用直接為7mm的空心杯電機(jī)。直流電機(jī)是功率器件，需要很大的驅(qū)動(dòng)電流，控制器的驅(qū)動(dòng)能力有限，因此必須選用專門的驅(qū)動(dòng)芯片。本設(shè)計(jì)選用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管SI2302來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它具有較大的漏極電流，最大能通過(guò)2.8A的電流。由于飛行器的電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊電流，所以加二極管給電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)提供放電回路。下拉100K電阻防止上電時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 無(wú)線藍(lán)牙傳輸模塊

該模塊采用美國(guó)TI公司CC2541芯片，配置256KB空間，采用藍(lán)牙4.0協(xié)議。支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率，設(shè)備名稱，配對(duì)密碼等參數(shù)。該模塊支持UART接口，有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能，可以實(shí)現(xiàn)110米的傳輸距離，使用方便靈活。故本設(shè)計(jì)采用該模塊作為四旋翼自制飛行器的無(wú)線指令傳輸系統(tǒng)。

2.6 超聲波傳感器模塊

該模塊的測(cè)量高度可達(dá)十米，測(cè)量精度可達(dá)3mm，可以滿足四旋翼飛行器高度測(cè)量的需求。模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚海?）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；（3）有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理中采用四元素算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到四旋翼飛行器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)并采用PID算法控制相應(yīng)的電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的精確控制。

3.1 姿態(tài)控制程序設(shè)計(jì)

四旋翼微型飛行器的控制目標(biāo)是使其在無(wú)動(dòng)作指令時(shí)保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動(dòng)作指令時(shí)有效完成指定動(dòng)作。PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，工作可靠，調(diào)整方便，在工業(yè)控制中被廣泛使用[4]。本文使用PID控制器進(jìn)行飛行器的姿態(tài)控制，無(wú)需對(duì)飛行器進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模[6]。以姿態(tài)歐拉角的期望值與計(jì)算值之差作為PID控制器的輸入，每個(gè)電機(jī)的對(duì)應(yīng)的PWM控制量都是三個(gè)PID控制器輸出的疊加，疊加量的正負(fù)與電機(jī)位置相關(guān)。姿態(tài)控制與升力控制相結(jié)合，使飛行器能夠完成三維空間的各種運(yùn)動(dòng)[4]。

圖3 程序流程圖

3.2 程序流程圖

上電后四旋翼飛行器按程序正常啟動(dòng)，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入姿態(tài)測(cè)試、高度測(cè)試和姿態(tài)控制，當(dāng)有遙控指令介入時(shí)，執(zhí)行遙控指令（見圖3）。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種小型四旋翼自主飛行器，介紹了四旋翼飛行器的工作原理，對(duì)構(gòu)成四旋翼飛行器相關(guān)的硬件系統(tǒng)及軟件進(jìn)行了說(shuō)明。使用了互補(bǔ)濾波器對(duì)MPU6050測(cè)量誤差進(jìn)行矯正，對(duì)四旋翼飛行器姿態(tài)解算的過(guò)程進(jìn)行了解敘，提出了確定互補(bǔ)濾波器融合系數(shù)的方法，簡(jiǎn)單介紹了PID姿態(tài)控制器的原理。該小型四旋翼自主飛行器具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，具有自主垂直起降和自主懸停能力，在有效負(fù)載范圍內(nèi)可擴(kuò)展視覺傳感器或其他輔助定位裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障以及自主導(dǎo)航，可適用于偵查巡邏拍攝等多種任務(wù)。

[1]李堯.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].遼寧:大連理工大學(xué), 2013.

[2]程敏.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)構(gòu)建及控制方法的研究[D].遼寧:大連理工大學(xué),2012.

[3]王小莉.面向橋梁檢測(cè)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013.

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[5]王冬來(lái),呂強(qiáng),劉峰.小型四軸飛行器動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法設(shè)計(jì)[J].科技導(dǎo)報(bào).2011,36:42-45.

[6]楊錦.數(shù)字PID 控制中的積分飽和問題[J].華電技術(shù),2008,30(6):64-67.

王先春。

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41304098)；湖南省光電信息技術(shù)校企合作創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地資助項(xiàng)目(湘教通〔2016〕394號(hào))；湖南文理學(xué)院教研項(xiàng)目 (JGYB1314)。