微型四旋翼無人機(jī)應(yīng)用

方志東 胡世琪

摘要：文中主要介紹了無人機(jī)發(fā)展的趨勢，詳細(xì)闡述了四旋翼無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的意義，研究目的、采用的主要技術(shù)及其特點(diǎn)，并對基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，目的在于便于廣大用戶更好的應(yīng)用無人機(jī)平臺。

關(guān)鍵詞：信息；安全防范領(lǐng)域；四旋翼無人機(jī)

1.引言

隨著科技的發(fā)展，人們對未知領(lǐng)域的探索也拉開帷幕，面對著高風(fēng)險(xiǎn)、高強(qiáng)度的任務(wù)，人們開始利用無人機(jī)替代有人飛機(jī)來執(zhí)行，這也是大勢所趨，形勢所迫。無人飛機(jī)其實(shí)就是一種由無線電遙控控制的設(shè)備，或自身程序控制裝置操縱的無人機(jī)駕駛飛行器，又被人稱為遙控駕駛航空器。目前在軍事、救援、農(nóng)業(yè)、安防等領(lǐng)域發(fā)展較為迅速，在一些科技發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本項(xiàng)目屬于遙控飛行的四旋翼無人機(jī)，起降簡單，操作靈活，無人機(jī)體積小、重量輕，機(jī)身重量僅40.5g，機(jī)身尺寸13*13cm，操作距離理論可達(dá)500m，利用無人機(jī)體積小的特點(diǎn)，可以工作在惡劣的，危害人類健康和生命的環(huán)境中，最大限度地減少人員傷亡，飛行器可以全天工作無需休息，工作效率高，本項(xiàng)目主要是基于無人機(jī)平臺，結(jié)合搭載檢測裝置可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，具有非常好的發(fā)展前景和社會價(jià)值。

2.基于STC15W4K48S4主控芯片的四旋翼飛行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，四旋翼無人機(jī)采用STC15W4K48S4主控芯片，分別由NRF24L01無線控制模塊、MU6050姿態(tài)測量系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)、升壓電路、遙控器控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、串口通信模塊、地面站系統(tǒng)等組成，四旋翼飛行器控制器的核心任務(wù)是姿態(tài)的測量，它的作用是為飛行器控制系統(tǒng)提供實(shí)時、精確的飛行狀態(tài)測量數(shù)據(jù)。通過匿名科創(chuàng)地面站系統(tǒng)調(diào)節(jié)PID參數(shù)，這樣做能夠有效提高飛行器姿態(tài)測量精度，確?？刂葡到y(tǒng)的姿態(tài)角的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.1 NRF24L01無線通訊

NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片?？刂破髋c無人機(jī)之間采用NRF24L01進(jìn)行無線通信，使無人機(jī)端即時有效地接收控制器所發(fā)出的指令，使其能夠?qū)崿F(xiàn)在空間中自由移動。

2.2 MPU6050姿態(tài)運(yùn)動傳感器

MPU6050傳感器是三軸數(shù)字羅盤，它可以用來測量四軸飛行器所處位置的三軸磁場信息，該傳感器內(nèi)置了三軸磁阻模塊和放大采樣電路，直接輸出數(shù)字信號，用來測量航向角并進(jìn)行姿態(tài)解算，主要是起到了無人機(jī)在空中的平衡調(diào)節(jié)，是四旋翼無人機(jī)的核心部分。

特點(diǎn)如下：

（1）IIC 數(shù)字量輸出總線接口，設(shè)計(jì)使用簡單，尺寸非常小；

（2）有較高的測量精度，內(nèi)置12位 A/D轉(zhuǎn)換；

（3）擁有自動校準(zhǔn)功能，簡化了應(yīng)用的步驟；

（4）內(nèi)置有自測試電路，量產(chǎn)測試非常方便，不需要增加額外的高昂測試設(shè)備；

（5）功耗較低，供電電壓只需要1.8V，睡眠模式功耗-2.5uA，測量模式功耗-0.6mA。

2.3 控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)

（1）四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)是采用NRF24L01無線模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過控制方向遙感的方向電壓量變化，從而控制無人機(jī)的前后左右運(yùn)動，通過控制方向遙感的油門電壓量變化，從而控制無人機(jī)的上下運(yùn)動，降落起飛。

（2）四旋翼無人機(jī)的動力系統(tǒng)由空心杯電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動電路組成，主要是通過PWM脈寬占比去控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示為四旋翼飛行器的外形結(jié)構(gòu)，根據(jù)“基本運(yùn)動學(xué)原理”設(shè)計(jì)成這種形狀，在電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2和電機(jī)4順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消，使得空氣中對無人機(jī)的阻力減少，工作更加穩(wěn)定。

4.結(jié)束語

本文結(jié)合了現(xiàn)代人工智能、無線通信和基本運(yùn)動學(xué)原理，通過測量四旋翼飛行器控制器姿態(tài)，為飛行器控制系統(tǒng)提供實(shí)時、精確的飛行狀態(tài)測量數(shù)據(jù)，從而精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。通過無線控制，可以讓飛行器在惡劣的條件下執(zhí)行任務(wù)，并且飛行器可以全天工作無需休息，執(zhí)行效率更高，突顯了無人機(jī)的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]杜浩.基于GPS/INS的多旋翼MAVS自主飛行系統(tǒng)研制[D].南京信息工程大學(xué)，2012

[2]郎哲彥.基于模態(tài)切換的無人直升機(jī)雙回路魯棒控制器的研究[D].天津大學(xué)，2012

（作者單位：長沙學(xué)院，電子信息與電氣工程學(xué)院）