四軸飛行器控制系統(tǒng)的研究

王增彩 徐立 劉旗 周繼民 石業(yè)成 大連理工大學(xué)城市學(xué)院

引言

四軸飛行器與其他飛行器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)造簡單、飛行靈活較傳統(tǒng)的直升機(jī)更容易接近任務(wù)目標(biāo)；更重要的是，四軸飛行器的研究涉及到眾多領(lǐng)域的高、精、尖技術(shù)，如：空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)控制、自主導(dǎo)航、傳感技術(shù)等等；目前隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，四軸飛行器也為這些領(lǐng)域提供了一個(gè)綜合的研究平臺(tái)。因此，無論是科學(xué)研究，還是綜合應(yīng)用四軸飛行器的研究都有著極高的研究價(jià)值。

1 四軸飛行器的控制原理

圖1. 1四軸飛行器基本結(jié)構(gòu)圖??

四軸飛行器屬于利用旋翼來提供上升力的飛行器的一種，擁有四個(gè)螺旋獎(jiǎng)，這四個(gè)螺旋槳對(duì)稱的分布在四軸飛行器前、后、左、右的四個(gè)方位，其機(jī)械結(jié)構(gòu)非常簡單，要控制四軸飛行器改變飛行的姿態(tài)，只需要調(diào)整兩對(duì)螺旋槳的轉(zhuǎn)速就可以了。

2 姿態(tài)表示及姿態(tài)解算

飛行器的姿態(tài)采用歐拉角表示方法，即為翻滾角ρ、傾仰角e和偏航角γ。歐拉角即飛行器機(jī)體對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，分別用滾轉(zhuǎn)角、仰俯角和偏航角進(jìn)行表示。根據(jù)歐拉旋轉(zhuǎn)定理，通過三次旋轉(zhuǎn)即可使得機(jī)體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到與地理坐標(biāo)系重合或者飛行器平衡姿態(tài)位置，三次坐標(biāo)變換的旋轉(zhuǎn)矩陣的乘積即是歐拉角姿態(tài)矩陣。假設(shè)全局坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系）XY－Z固定于地面保持靜止，飛行器坐標(biāo)系x－y－z初始時(shí)與全局坐標(biāo)系重合。

為了得到當(dāng)前飛行器的飛行姿態(tài)，在應(yīng)用中，采用互補(bǔ)的方法對(duì)三個(gè)軸的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行融合，算法中，加速度和角速度測量的數(shù)據(jù)作為輸入；得到的輸出為相對(duì)于地球坐標(biāo)的傾角和角速度。以得到正確的角度值，互補(bǔ)融合算法原理如圖1.2所示：??

圖2. 1融合算法

3 四軸飛行器的硬件電路設(shè)計(jì)

四軸飛行器的硬件電路設(shè)計(jì)主要包含：微控制模塊電路設(shè)計(jì)、傳感器模塊電路設(shè)計(jì)、藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)、電源模塊電路設(shè)計(jì)、電源電壓檢測模塊電路設(shè)計(jì)等。微控制器?用STM32F103C8T6芯片，傳感器模塊選用整合了三軸陀螺與三軸加速器的新型MEMS傳感器MPU6050，藍(lán)牙模塊選用了能夠與手機(jī)藍(lán)牙相連接的HC05芯片。電源模塊選用了一款性價(jià)比比較高的芯片SP6205。電源電壓檢測模塊則設(shè)計(jì)了一個(gè)ADC電路。

4 四軸飛行器軟件的設(shè)計(jì)?

遙控器是一種用來遠(yuǎn)程控制某個(gè)裝置的器件。四軸飛行器的遙控器就是用來給四軸飛行器傳遞指令，指示四軸飛行器應(yīng)該?取什么樣的動(dòng)作的器件。四軸飛行器的遙控器使用手機(jī)來代替，所以本次設(shè)計(jì)借助了eclipse軟件對(duì)四軸飛行器的遙控APP的手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行編寫，采用JAVA語言編程。APP界面上設(shè)有油門滑塊，偏航滑塊用來控制四軸飛行器螺旋獎(jiǎng)轉(zhuǎn)速的快慢和偏航方向.

5 總結(jié)

本文主要介紹了飛行器完成的結(jié)果，已初步完成了基本的飛行動(dòng)作，達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中姿態(tài)解算算法進(jìn)行了分析，另外文中還對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了分析，許多方面還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

[1]劉杰.四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2013.

[2]聶博文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)［A］.電光與控制，2007.

[3]楊慶華，宋召青.四旋翼飛行器的建模控制與仿真［J］.海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.??

[4]陳振興.基于STM32的微型四軸飛行器研究與設(shè)計(jì)［D］.河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

[5]張浩.四旋翼飛行器航姿測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合方法［J］.兵工自動(dòng)化，2013.