四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 洪淼淼 蔡 寧

?

四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 洪淼淼 蔡 寧

【摘要】四旋翼飛行器是一種由四個(gè)螺旋槳與四個(gè)電調(diào)聯(lián)合搭配，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作按要求飛行的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的四旋翼自主飛行器以瑞薩R5F100LEA為主控制器，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，首先對(duì)超聲波傳感器返回值進(jìn)行采樣，通過(guò)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷離地高度，從而調(diào)節(jié)PWM使電機(jī)飛行上升調(diào)節(jié)。在上升過(guò)程中通過(guò)MPU6050進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使飛行器飛行過(guò)程中達(dá)到平穩(wěn)，當(dāng)PWM達(dá)到定值飛時(shí)飛行器停止上升。通過(guò)調(diào)節(jié)使其完成不同的動(dòng)作，該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于人類的生產(chǎn)和生活中，在軍事和民用的范圍也會(huì)有很大的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；超聲波測(cè)距；MPU-6050

本文受 國(guó)家自然科學(xué)基金資助（項(xiàng)目編號(hào)：61263002）。

1　飛行器設(shè)計(jì)目的與意義

四旋翼自主飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)越的飛行器，具有操作靈活，帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)得到許多研究人員的重視，此次設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器性能更加優(yōu)越，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，幫助人類解決在惡劣的環(huán)境中危害人類健康和生命的事情。

四旋翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且飛行的機(jī)動(dòng)能力靈活，可以在小的區(qū)域內(nèi)起飛，偵察，降落。四旋翼飛行器的研究?jī)r(jià)值主要在于其自主飛行的技術(shù)，對(duì)于四旋翼飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，其準(zhǔn)確度、高效性以及靈活的偵查能力得到了充分的運(yùn)用，使四旋翼飛行器在世界上引起了研究熱潮。對(duì)于我們現(xiàn)在的軍事和對(duì)太空的探索，四旋翼飛行器將會(huì)有很大的貢獻(xiàn)。能夠適應(yīng)各種環(huán)境，幫助人類解決在惡劣的環(huán)境中危害人類健康和生命的事情。四旋翼飛行器的研究正在處于初步階段，對(duì)于其技術(shù)方面還不是很成熟，但是其對(duì)于我們的研究?jī)r(jià)值是無(wú)可代替的。因?yàn)閷?duì)四旋翼飛行器在戰(zhàn)場(chǎng)以及其他方面上還沒(méi)有發(fā)揮出其該有的戰(zhàn)斗力和影響力，所以很多的國(guó)家都努力的對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行研究。

2　四旋翼飛行器的工作原理與組成部件

2.1工作原理

四旋翼飛行器是由四個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制其飛行的方向與角度，四個(gè)旋翼安裝在一個(gè)十字交叉的兩個(gè)軸上，為很好的控制其飛行狀態(tài)，每一個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)、材料、大小都完全一樣。通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到控制飛行器在立體空間中的飛行狀態(tài)。

2.2組成部件

本系統(tǒng)由飛行控制器模塊、電機(jī)模塊、姿態(tài)采集模塊、超聲波測(cè)高模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)各個(gè)模塊的選擇有著很重要的意義，好的模塊可以使系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，控制更加容易。

該系統(tǒng)的電機(jī)模塊選擇的是無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)能量密度高、力矩大、重量輕，采用非接觸式的電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了直 流有刷電機(jī)的缺點(diǎn)，適合用于對(duì)功率重量比敏感的用途，同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)的可靠性。并且直流無(wú)刷電機(jī)選用高性能的磁性材料，相較傳統(tǒng)交流產(chǎn)品在效率方面提高30%～50%，節(jié)能環(huán)保；產(chǎn)品不需要變頻裝置就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速0～3000RPM范圍內(nèi)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，控制簡(jiǎn)單，并且能將運(yùn)作的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速以脈沖的形式通過(guò)反饋線傳出，安裝尺寸產(chǎn)品性能均較好。

姿態(tài)采集模塊選用的MPU6050三軸陀螺儀。MPU6050三軸陀螺儀可以在同一時(shí)間內(nèi)測(cè)量六個(gè)不同方向的加速、移動(dòng)軌跡以及位置的測(cè)量裝置。單軸的話，就只可以測(cè)定一個(gè)方向的量，那么一個(gè)三軸陀螺就可以代替三個(gè)單軸陀螺。它現(xiàn)在已經(jīng)成為激光陀螺的發(fā)展趨向，具有可靠性很好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不復(fù)雜、重量很輕和體積很小等優(yōu)點(diǎn)。

電源模選用3S鋰電池。3S鋰電池能量比較高，使用壽命長(zhǎng)，有可以使用10000次的記錄，具備高功率承受力，自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，重量輕，高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用，綠色無(wú)污染，在生產(chǎn)、使用中，不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

控制系統(tǒng)選用R5F100LEA。瑞薩公司所生產(chǎn)的R5F100LEA單片機(jī)為主控芯片，此單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)大，軟件編程簡(jiǎn)單，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且此芯片有很多其它優(yōu)點(diǎn)：消耗電能低，體積小易于安裝，價(jià)值成本低，使用靈活方便。并且本系統(tǒng)的程序量較大，需要的I/O口資源較多，需要輸出四路PWM波控制電調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，一般的單片機(jī)運(yùn)算能力較低，速度較慢，功能單一，難以實(shí)現(xiàn)稍微復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)選用的各個(gè)模塊，將他們組裝在一起構(gòu)成一個(gè)飛行器的模型。該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和電機(jī)調(diào)速器，飛行器件是四個(gè)雙葉槳，并安裝有四個(gè)防護(hù)圈以防止在飛行過(guò)程中槳脫落對(duì)周圍物品造成傷害。通過(guò)C語(yǔ)言編程，進(jìn)行對(duì)該系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　飛行器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2系統(tǒng)姿態(tài)控制分析

圖2　姿態(tài)控制回路

如圖2 所示，飛行器姿態(tài)控制的工作原理是把四旋翼飛行器在當(dāng)前所得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)與其給予的數(shù)據(jù)進(jìn)行做差運(yùn)算，再通過(guò)控制算法來(lái)進(jìn)行對(duì)姿態(tài)誤差信號(hào)的分析與處理，接著其主控芯片就通過(guò)電子調(diào)速器將其得到的調(diào)整信號(hào)傳遞給電機(jī)，我們通過(guò)改變四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)對(duì)四個(gè)旋翼的受力進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到對(duì)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。當(dāng)前的姿態(tài)調(diào)整完成之后，馬上會(huì)產(chǎn)生新的姿態(tài)，這時(shí)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)就會(huì)重新檢測(cè)調(diào)整飛行的姿態(tài)，將所測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到主控芯片中，從而形成閉環(huán)回路控制。

4　系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)硬件測(cè)試：首先，先把四軸飛行器分塊拆解，用最小的最輕的元件和電路板按照配重的需要安裝在四軸飛行器上，并安裝上保護(hù)圈。再用物理方法測(cè)量重心，使其重心維持在四軸飛行器的中心。通過(guò)電源對(duì)做好的電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試，使其穩(wěn)定在單片機(jī)的工作范圍，盡量使其保持穩(wěn)定。

針對(duì)軟件測(cè)試：在調(diào)試程序之前，先用示波器觀察瑞薩單片機(jī)PWM輸出，并用程序模仿飛行器的飛行方法，通過(guò)對(duì)其仿真來(lái)測(cè)試PWM的穩(wěn)定度。MPU6050模塊配合電腦串口調(diào)試助手進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看，方便調(diào)試。

硬件軟件聯(lián)調(diào)：通過(guò)單片機(jī)編程，模仿出PWM，并測(cè)量是否能通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)使飛行器起飛，通過(guò)多次測(cè)試，找出飛行器起飛時(shí)的PWM值。MPU6050模塊通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并在電腦上利用串口接收，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否正確，通過(guò)軟件編程針對(duì)顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。通過(guò)MPU6050模塊使四軸飛行器穩(wěn)定的起飛，并懸停在空中；再進(jìn)行測(cè)試，使四軸飛行器前進(jìn)和后退；最后進(jìn)行降落的測(cè)試。通過(guò)超聲波的測(cè)量使其懸停在30cm的空中，在進(jìn)行前進(jìn)后退的校準(zhǔn)，使其飛行足夠準(zhǔn)確，之后進(jìn)行對(duì)引導(dǎo)線的識(shí)別，使飛機(jī)平穩(wěn)前進(jìn)。最后通過(guò)對(duì)直徑為20cm的黑圓圈進(jìn)行測(cè)試，使其測(cè)量到，并使四軸飛行器降落在黑色圓圈內(nèi)。

通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，所設(shè)計(jì)的四旋翼自主飛行器達(dá)到本次設(shè)計(jì)目的。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了敘述，對(duì)四旋翼飛行器的起飛、自主定高、降落和姿態(tài)控制進(jìn)行了說(shuō)明，通過(guò)各種方案的討論和嘗試，在經(jīng)過(guò)很多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)原理結(jié)合軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠簡(jiǎn)單高效的完成任務(wù)。

四旋翼飛行器可以廣泛的應(yīng)用在人類的各行各業(yè)中。在農(nóng)業(yè)中，可以幫助勞動(dòng)者對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灑水、噴藥等；在搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中，可以幫助救災(zāi)人員迅速發(fā)現(xiàn)生命跡象的位置；還可以進(jìn)行航拍工作等，幫助研究人員省時(shí)、省力，更加有效的進(jìn)展科研工作等。由此可見(jiàn)，四旋翼飛行器的應(yīng)用范圍比較廣，使得本文的研究有更有意義，并且在未來(lái)四旋翼飛行器將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

［1］洪森濤，金智慧，李志強(qiáng).四旋翼飛行器建模及姿態(tài)穩(wěn)定性分析［J］.電光系 統(tǒng)，2007，12（2）：88-107.

［2］單海燕.四旋翼無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2008.

［3］王俊生，馬宏緒，蔡文瀾，稅海濤，聶博文.基于ADRC的小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制方法研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，12（3）：31-40.