微型四旋翼飛行器硬件設(shè)計(jì)和控制

陳飛

摘 要四旋翼飛行器以其優(yōu)良的氣動能力與便攜性越來越受到學(xué)術(shù)界的重視，但是市面上成熟的四旋翼飛行器體積較大且價(jià)格昂貴，本設(shè)計(jì)旨在解決目前民用四旋翼飛行器價(jià)格高昂，體積大的問題，利用小功率電機(jī)與STM32系列微控制器完成四旋翼的基本系統(tǒng)搭建，做到四旋翼的基本功能，并且可以通過上位機(jī)控制與規(guī)劃四旋翼的飛行路線與方案。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器 低成本 小體積

1 四旋翼發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 四旋翼的簡介

不同于平時(shí)乘坐的波音客機(jī)與常見的戰(zhàn)斗機(jī)等固定翼飛機(jī)，四旋翼飛行器是一種不穩(wěn)定，欠驅(qū)動的飛行系統(tǒng)，四旋翼飛行器在啟動后無法像固定翼飛機(jī)一樣自動對抗氣流干擾，同時(shí)由于四旋翼飛行器的四個(gè)螺旋槳只能提供向上的升力，所以四旋翼飛行器如果在升空后不加以控制，只需一陣風(fēng)就可以吹翻飛行器。

1.2 四旋翼的發(fā)展歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

由于四旋翼飛行器的不穩(wěn)定性與欠驅(qū)動性[1]，四旋翼通常需要搭載姿態(tài)控制模塊用于實(shí)時(shí)控制當(dāng)前的飛行姿態(tài)，防止失控的發(fā)生，同時(shí)也必須搭載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用于提供飛行器當(dāng)前的姿態(tài)信息。然而在20 世紀(jì)，陀螺儀的體積普遍過大，直到20 世紀(jì)90 年代后，出現(xiàn)了幾克重的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)，Micro -Electro -Mechanical System）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[2]，四旋翼的姿態(tài)控制問題才有了初步的發(fā)展。

在MEMS 慣性導(dǎo)航芯片出現(xiàn)后，由于其傳出數(shù)據(jù)的雜波與干擾較大，人們又花了大量時(shí)間研究慣性導(dǎo)航的算法，然而復(fù)雜的算法就對機(jī)載微處理器的運(yùn)算速度提出了要求，于是直到2005 年前后，四旋翼飛行器才正式問世。

如今，四旋翼技術(shù)已經(jīng)十分成熟，也逐漸開始了商業(yè)化，在航空拍攝、地質(zhì)探測等領(lǐng)域發(fā)揮了極其重要的作用。

2 經(jīng)濟(jì)化與小體積化設(shè)計(jì)原則

2.1 常見四旋翼飛行器的重量比較

2.1.1 商業(yè)公司成品四旋翼飛行器

目前商業(yè)公司的成品四旋翼飛行器根據(jù)其功能不同，體積也大小不一，通常最常見的航拍型飛行器重量在1kg 以上，而目前的大型多旋翼飛行器更可以重達(dá)5kg，較大的體積會對電機(jī)的轉(zhuǎn)速提出更多的要求，加快電池的消耗，同時(shí)也會增大電池的體積。

2.1.2 DIY 組裝飛行器

當(dāng)下的DIY 組裝飛行器主要還是受制于機(jī)架的大小與重量，通常來說，DIY 機(jī)架的軸長多在70cm 之內(nèi)，采用碳纖維材料來減輕機(jī)架的重量，然而即使是采用了碳纖維材料，由于電池與電調(diào)的存在，其整機(jī)重量仍然在1kg 以上，并且若要加掛云臺則需要更大的機(jī)架空間。

2.2 經(jīng)濟(jì)化與小體積化設(shè)計(jì)方案

2.2.1 控制器部分

控制器是四旋翼飛行器的核心部分，主要負(fù)責(zé)解算四旋翼當(dāng)前的飛行姿態(tài)，維持四旋翼飛行穩(wěn)定，處理地面站或者遙控器給出的飛行指令，或者控制四旋翼按照預(yù)設(shè)的航線飛行，并且可以將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到存儲設(shè)備中。

2.2.2 慣性導(dǎo)航部分

慣性導(dǎo)航部分主要提供飛行器在某一時(shí)間上在三個(gè)軸向上的加速度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器可以根據(jù)接收到數(shù)據(jù)解算飛機(jī)當(dāng)前的飛行姿態(tài)，并且，由于MEMS 慣性導(dǎo)航模塊的數(shù)據(jù)存在許多干擾與雜波，所以需要設(shè)計(jì)濾波算法，目前較為常見的濾波算法為卡爾曼濾波算法（Kalmanfiltering），卡爾曼濾波利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過觀測系統(tǒng)

輸入輸出得到的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估算。由于其主要用途是去除噪聲與雜波干擾，所以其估算過程可以大概地認(rèn)作濾波過程。

2.2.3 通信部分

通信部分主要負(fù)責(zé)接受控制器的信號，并且將四旋翼飛行器的當(dāng)前狀態(tài)傳送回上位機(jī)，便于地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與圖像處理。

2.2.4 電機(jī)

為了減輕能量消耗與縮減體積，本設(shè)計(jì)放棄了通常四旋翼上的大功率無刷電機(jī)，而是使用空心杯電機(jī)作為動力的來源，空心杯電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)電機(jī)最大的不同就是采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，采用這種轉(zhuǎn)子可以完全消除由鐵芯形成的渦流對電機(jī)的影響。空心杯電機(jī)主要具有以下特性：

能量轉(zhuǎn)換效率高，較好的空心杯電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%以上，較一般的產(chǎn)品也可以達(dá)到70%左右的能量轉(zhuǎn)換效率。

控制靈敏，空心杯電機(jī)可以達(dá)到28ms 的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間，啟動與制動都極其迅速，當(dāng)其處于高速轉(zhuǎn)動時(shí)，也可對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。

穩(wěn)定性可靠，空心杯電機(jī)在轉(zhuǎn)動時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差一般不超過2%，完全滿足四旋翼控制的需要。

2.2.5 電源部分

電源部分主要為電壓轉(zhuǎn)換模塊與電池構(gòu)成，為了減輕體積，此設(shè)計(jì)選擇了低容量的鋰電池供電，因?yàn)榭招谋姍C(jī)的能量消耗較低，使用較低功耗的鋰電池也可以保證長時(shí)間的飛行。

2.2.6 機(jī)架

機(jī)架是傳統(tǒng)四旋翼必不可缺的部分，同時(shí)也是產(chǎn)生重量最主要的部分，本設(shè)計(jì)完全拋棄了傳統(tǒng)的機(jī)架設(shè)計(jì)，利用電路板自身的強(qiáng)度作為載體，可以搭載一微型攝像頭，用于采集視頻信息。

3 詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案與布局

鑒于采用盡可能小的設(shè)計(jì)方案，所以對于電路板的器件布置位置提出了要求，器件的擺放應(yīng)該盡可能密集，同時(shí)，為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少風(fēng)阻，整體PCB 的形狀應(yīng)該是梅花狀，而不是常見的長方形設(shè)計(jì)，綜上所述，

圖1給出了一簡要的器件分布方案。

3.2 控制器設(shè)計(jì)方案

控制器部分使用STM32F103C8T6 單片機(jī)，其主頻為78MHz，通過外接一8MHz 晶振進(jìn)行9 倍倍頻可以達(dá)到單片機(jī)推薦的晶振頻率。此部分使用3.3V 電源供電，其對外提供了2 路I2C 接口，2 路USART 接口，足以滿足外部設(shè)備的使用需求，其核心控制部分電路如圖2所示。

3.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

為了同時(shí)兼顧高度與運(yùn)動方向的檢測，本設(shè)計(jì)使用了一顆氣壓計(jì)與一顆六軸加速度傳感器，以及一顆電子羅盤，可以提供水平方向的機(jī)頭朝向信息，氣壓計(jì)選擇了MS5611，MS5611 為一顆I2C 接口的高精度大氣壓傳感器，可以返回當(dāng)前的海拔。電子羅盤了選擇了MHC5883 三軸數(shù)字羅盤，其使用I2C 接口，精度控制在1°-2°，完全滿足四旋翼導(dǎo)航的需要。六軸傳感器使用了MPU6050，其為I2C 接口，可以提供六個(gè)方向上的加速度數(shù)據(jù)。

傳感器部分的設(shè)計(jì)圖見圖3。

3.4 舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)

升力用空心杯電機(jī)提供，其電路設(shè)計(jì)中使用一MOS 門提供3.7V 的電壓，利用STM32 內(nèi)置的定時(shí)器生成PWM 波形，由于STM32 輸出電壓為3.3V，無法驅(qū)動電機(jī)，所以使用一MOS 門進(jìn)行控制，其整體電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)透傳模塊說明Wifi 模塊與藍(lán)牙模塊可以根據(jù)需要進(jìn)行切換，當(dāng)需要遙控器進(jìn)行控制時(shí)，可以使用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，當(dāng)使用計(jì)算機(jī)作為地面站進(jìn)行控制時(shí)，可以選擇WiFi 模塊進(jìn)行控制，兩者之間可以通過單片機(jī)使能電源芯片進(jìn)行切換。

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際組裝，本設(shè)計(jì)全部器件的市場價(jià)格總和可以控制在120 元以內(nèi)，尺寸比同類產(chǎn)品小60%以上，完全達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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作者單位

裝甲兵工程學(xué)院 北京市 100071