基于手機通訊的四旋翼飛行器設(shè)計

西北民族大學 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

基于手機通訊的四旋翼飛行器設(shè)計

西北民族大學 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

針對四旋翼飛行器，利用手機通訊實現(xiàn)了對飛行器姿態(tài)的簡單控制。四旋翼飛行器選用STM32F407VGT6作為控制芯片，并且利用MS5611氣壓傳感器和US-100超聲波模塊對飛行器的高度進行實時采集。四旋翼飛行器使用藍牙進行通信，再通過PID算法控制飛行器狀態(tài)。

四旋翼飛行器；藍牙；PID

近幾年人工智能和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，適用于四旋翼無人機的芯片也越來越多，四旋翼飛行器因具有升降、懸停、前后、左右等基本功能，在外加各種模塊之后在拍照、資源勘探、森林救災(zāi)、新聞報道等領(lǐng)域的表現(xiàn)超然卓絕。

1.系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架

如圖1所示，四旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)簡稱飛控，飛控是無人機的核心，硬件主要有中央處理器（MCU），氣壓計、三軸陀螺儀、三軸加速度計等傳感器，以及各種輸入輸出控制電路組成。

在基于MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)的陀螺和加速度計中，陀螺儀測量物體沿某一軸轉(zhuǎn)動的角速率，加速度計測量物體的重力加速度分量。MCU接受并處理遙控指令和傳感器輸入信號，經(jīng)過快速復(fù)雜的運算，實現(xiàn)對飛機的姿態(tài)調(diào)控，同時用戶可通過手機APP以藍牙通訊的形式實現(xiàn)對飛機的飛行控制。

四旋翼無人機由飛行控制模塊、對稱交叉分布的四個電機、電池模塊、機架以及與電機對應(yīng)的正反槳葉組成。飛行控制模塊位于機身中央，四個電機分別控制四個旋翼構(gòu)成無人機的動力系統(tǒng)，通過對四個電機轉(zhuǎn)速的控制改變電機所提供的扭矩，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機在空間六自由度運動。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 飛行原理

四旋翼飛行器選用型號相同的電機，按照四個電機的旋轉(zhuǎn)方向可分為順時針電機和逆時針電機，順時針電機和逆時針電機交叉分布，旋翼的旋轉(zhuǎn)方向與其所在位置有關(guān)，相鄰方向的電機轉(zhuǎn)動方向是相反的，同一對角線的電機旋轉(zhuǎn)方向相同，同時正轉(zhuǎn)電機搭配的正面槳葉與反轉(zhuǎn)電機搭配的反面槳葉在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的推力確保了飛行系統(tǒng)的扭矩平衡，保證四旋翼飛行器不會產(chǎn)生自旋現(xiàn)象。

2.2 器件選型

MCU主要采集傳感器的信息并實時解算機體的姿態(tài)角，控制電機轉(zhuǎn)速以及傳輸飛行數(shù)據(jù)，飛控芯片選用STM32F407VGT6，該芯片工作頻率達到了168MHZ，集成了高速嵌入式存儲器，閃存高達 1MB，SRAM 高達 192KB，同時擁有非常豐富的可擴展的外圍擴展接口[1]，可滿足目前絕大部分市場性能要求。

3.飛行姿態(tài)控制

3.1 飛行姿態(tài)的表示

在飛行器的控制過程中，飛行器的姿態(tài)檢測是不可或缺的部分，位于三維坐標中的三個姿態(tài)角是不能通過現(xiàn)有傳感裝置直接測量的，所以只能通過陀螺儀、加速度計等測量出實時角速度，再將將速度在一段時間內(nèi)進行積分，便能得到運動的角位移，再將這個角位移在三個維度上分別積分，就能得到飛行器在三維空間中的航向角、橫滾角和俯仰角。而飛行器的姿態(tài)便可用得到的橫滾角、航向角以及俯仰角來準確描述。

圖2 飛行姿態(tài)示意圖

如圖2所示，用航向角來描述飛行器在平面上的自旋角度，用俯仰角來描述飛行器前后方向在同一平面的高低，橫而滾角則用來描述飛行器左右方向在同一平面的高低。

3.2 上位機設(shè)計

上位機軟件應(yīng)用JAVA語言，采用eclipse作為系統(tǒng)開發(fā)平臺進行設(shè)計，并將該設(shè)計移植到安卓5.0版本的手機上，該設(shè)計一共分為兩層，分別為：連接飛控（查找與匹配藍牙）、控制飛行（運用安卓重力感應(yīng)和電子羅盤對飛行的航向控制以及姿態(tài)比例控制）、飛控校準（三軸陀螺儀、加速度計、磁力計校準）、電調(diào)校準（對飛行器的橫滾角、俯仰角、航向角、油門進行校準）以及飛控參數(shù)設(shè)置（6組PID參數(shù)的讀取和寫入）。

3.3 姿態(tài)解算

姿態(tài)解算的目的是將陀螺儀、加速度計和磁力計測量的姿態(tài)信息解算成無人機的實時姿態(tài)角，并作為系統(tǒng)的反饋量。陀螺儀直接測量無人機的角速率，對時間積分后得到飛行姿態(tài)角，短時間內(nèi)其測量精度高，但由于噪聲等影響，積分誤差不斷累積，長時間測量會導(dǎo)致其低頻干擾和漂移。[2]

圖3 姿態(tài)解算流程圖

在陀螺儀校準的方法上一般有兩種，一種是互補濾波，另一種方法便是本系統(tǒng)用到的卡爾曼濾波，但是互補濾波在最佳PI參數(shù)的選取上會存在困難，同時容易使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的延時。反觀利用卡爾曼濾波不僅可以克服互補濾波的缺點，而且還能在姿態(tài)角發(fā)生突變時，卡爾曼濾波器能快速感知這種變化并迅速做出調(diào)整。

離散卡爾曼濾波器遞推算法如下：

其中，矩陣Q為噪聲W（K）的協(xié)方差，R為噪聲v（k）的協(xié)方差。

3.4 算法實現(xiàn)

PID 控制：調(diào)節(jié)器的輸出是輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，按照PID 的函數(shù)關(guān)系進行運算，其結(jié)果用以控制輸出。

將PID算法離散化

Kp為比例系數(shù)，PID算法里的動態(tài)參數(shù)，反應(yīng)系統(tǒng)對指令的響應(yīng)速度快慢；

Ti為積分系數(shù)，PID算法里的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，用于消除靜差，反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能；

Td為微分系數(shù)，用于跟蹤超調(diào)量保證系統(tǒng)無反復(fù)振蕩現(xiàn)象，使得系統(tǒng)具有自適應(yīng)的特性。

4.總結(jié)語

依據(jù)飛行器飛行原理設(shè)計出系統(tǒng)的硬件以及與系統(tǒng)搭配的軟件，可以實現(xiàn)手機APP與飛行器之間通信，進而對其飛行姿態(tài)進行控制，控制飛行器前后左右上下六個維度的平穩(wěn)飛行，同時如果再加上GPS模塊，可實現(xiàn)飛行器的定點懸停。

[1]廖義奎編著,ARM CORTEX-M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解:基于STM32F4[M].北京航空航天大學出版社,2013.07:13.

[2]廖懿華,張鐵民,廖貽泳.基于模糊——比例積分偏差修正的多旋翼飛行器姿態(tài)測算系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(20):19-27.

Design of Quadrocopter Based on Mobile Communication

Aiming at the quadrotors，the control of aircraft posture is realized by using cellular communication.The four-rotor aircraft USES STM32F407VGT6 as the control chip and USES the MS5611 pressure sensor and the us-100 ultrasonic module to collect the aircraft in real time.The quadrotors use bluetooth to communicate and control the vehicle state through the PID algorithm.

four rotor aircraft；Bluetooth；The PID

李德軍（1995—），重慶萬州人。

張丕旺（1995—），湖北武穴人。

彭驛猛（1995—），湖南張家界人，大學本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學。

魏曉娟（1988—），甘肅蘭州人，碩士，講師，主要研究方向：控制工程。