基于NI myRIO的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯恭　董明飛　康立鵬　孟瑞鋒

摘 要：文章主要研究基于NI myRIO小型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，小型四旋翼飛行器擁有靈活小巧且軟硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且以NI myRIO芯片為核心。飛行器的設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信模塊，控制器模塊，傳感器檢測(cè)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊。小型四旋翼飛行器采用的是PID控制算法。PID控制算法是自動(dòng)控制系統(tǒng)的常用基本控制方式。通過PID控制算法調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)小型四旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行。

關(guān)鍵詞：小型四旋翼；無人機(jī)；NI myRIO；PID控制

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）23-0101-02

Abstract： This paper mainly focuses on the design and implementation of NI myRIO small quadro aircraft， which has the characteristics of small flexibility and simple hardware and software structure， and takes NI myRIO chip as the core. The design of the aircraft includes Bluetooth communication module， controller module， sensor detection module， drive module， power module and motor execution module. The small four-rotor aircraft adopts pid control algorithm. Pid control algorithm is the common basic control mode of automatic control system. By adjusting pid control algorithm， the smooth flight of small four-rotor aircraft can be realized.

Keywords： small quadrotor； unmanned aerial vehicle （UAV）； NI myRIO； PID control

1 概述

1.1 研究背景及意義

四旋翼飛行器屬于無人機(jī)中的一種，由4片螺旋槳構(gòu)成，4片螺旋槳呈十字形分布。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作較靈活，機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)，具有很好的飛行穩(wěn)定性。所以有非常廣闊的應(yīng)用和開發(fā)價(jià)值，廣泛的應(yīng)用于空中拍攝，自然火災(zāi)以及各行業(yè)線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控與巡查維修中。本文研究小型四旋翼飛行器在NI myRIO控制下，初步實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的飛行。

1.2 本文主要研究內(nèi)容

第一部分為緒論，簡(jiǎn)單介紹四旋翼的背景及研究意義。第二部分簡(jiǎn)要論述四旋翼的飛行原理。第三部分為小型四旋翼飛行器的硬件的選型。第四部分為結(jié)束語，總結(jié)本文的不足以及之后的研究與學(xué)習(xí)的方向。

2 小型四旋翼飛行器飛行原理

飛行原理介紹：

小型四旋翼飛行器的飛行是通過控制器和各傳感器對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)信息的控制，控制器通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制四旋翼的姿態(tài)，從而讓四旋翼實(shí)現(xiàn)各種飛行動(dòng)作。

在圖1（a）中，相鄰的兩對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的。當(dāng)初始時(shí)刻4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，然后電機(jī)轉(zhuǎn)速由低到高逐漸升高時(shí)，四個(gè)電機(jī)上對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺旋槳所產(chǎn)生的上升力也由低到高逐漸變大，當(dāng)四個(gè)螺旋槳向上的升力總和提升到大于四旋翼整體的重量時(shí)，四旋翼便開始在豎直方向上垂直上升；反之，如果4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢慢下降時(shí)，四旋翼便開始在豎直方向上垂直下降。當(dāng)四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力之和恰好等于無人機(jī)本身的重量時(shí)，這時(shí)四旋翼便會(huì)處于懸停狀態(tài)。

在圖1（b）中，在保持電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速不變的同時(shí)，增加電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)3的轉(zhuǎn)速，這時(shí)，螺旋槳1的升力便會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而增大，而螺旋槳3升力便會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低而減小，從而會(huì)在機(jī)身Y軸上產(chǎn)生一個(gè)不平衡力矩，四旋翼飛行器受這個(gè)不平衡力矩的影響將繞機(jī)身的Y軸旋轉(zhuǎn)；同理如果當(dāng)電機(jī)1轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)3轉(zhuǎn)速增加時(shí)，四旋翼飛行器則繞機(jī)身Y軸向另一方向旋轉(zhuǎn)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)控制。

在圖1（c）中，在保持電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速不變的同時(shí)，電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速一個(gè)變大另一個(gè)變小，則會(huì)在機(jī)身的X軸上產(chǎn)生一個(gè)不平衡力矩，則四旋翼飛行器會(huì)繞機(jī)身的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)姿態(tài)控制。

在圖1（d）中，在增加電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速的同時(shí)，降低電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速，此時(shí)電機(jī)1和3上對(duì)應(yīng)的螺旋槳對(duì)機(jī)身的反扭矩大于電機(jī)2和4上對(duì)用的螺旋槳對(duì)機(jī)身的反扭矩時(shí)，便會(huì)在四旋翼Z軸上產(chǎn)生一個(gè)扭力矩，四旋翼便會(huì)在這個(gè)扭力矩的作用下繞機(jī)身的Z軸旋轉(zhuǎn)，從而使飛行器實(shí)現(xiàn)偏航姿態(tài)控制[1]。

3 小型四旋翼飛行器硬件的選型

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）控制模塊。本文選用了可重配置I/O技術(shù)的嵌入式控制器NI myRIO，它是NI公司針對(duì)學(xué)生和教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用而推出的一款嵌入式系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)品。它有數(shù)字輸入和輸出線四十條，支持PWM、異步收發(fā)傳輸器和IIC，差分模擬輸入和對(duì)地參考模擬輸出各兩個(gè)，十二個(gè)單端模擬輸入輸出，這使得控制與連接外設(shè)及傳感器可以非常方便的通過編程來實(shí)現(xiàn)。

NI myRIO可重新定制的性能強(qiáng)大，它的核心是一塊可重新構(gòu)建的可編程門陣列作為分布式應(yīng)用，以及一塊667兆赫茲的雙核心ARM Cortex-A9可編程處理器。

（2）傳感器模塊。本文中對(duì)四旋翼飛行器飛行的控制，選用了一款9軸慣性導(dǎo)航模塊，該9軸慣性導(dǎo)航模塊集成了JY901（3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀、3軸磁力計(jì)）。相比于MPU6050，擁有更低的功耗。飛行控制器通過串口通信方式獲取該模塊的9軸數(shù)據(jù)。

（3）驅(qū)動(dòng)模塊。本文中選用無刷電機(jī)來提供動(dòng)力，對(duì)無刷電機(jī)的控制需要加裝電子調(diào)速器對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文選用了好盈的一款Skywalker-40A，該電調(diào)有電池低壓保護(hù)、電壓輸入異常保護(hù)、溫度保護(hù)和油門信號(hào)丟失保護(hù)。同時(shí)，還具有電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)的功能，當(dāng)電源通電時(shí)，無刷電機(jī)不會(huì)馬上轉(zhuǎn)動(dòng)（不管油門搖桿在什么位置上）?？刂破靼颜伎毡炔煌腜WM波輸出到電子調(diào)速器上，電子調(diào)速器根據(jù)不同的波而產(chǎn)生不同大小的電流，來控制和改變無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）執(zhí)行模塊及電源模塊。根據(jù)本文中所選用的NI myRIO控制器的外形尺寸和重量大小，為了四旋翼擁有足夠的負(fù)載能力和機(jī)械強(qiáng)度，本文中選擇了一款碳纖維復(fù)合材料的機(jī)架，選用了大疆2312/800kV直流無刷電機(jī)（重56g）；選用了9450槳螺旋（13g），最大拉力可達(dá)800g/軸，滿足了整體負(fù)載要求。本文的電源選用了2200mAh、11.1V、3S鋰電池，為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。

3.2 控制算法（PID）

在工業(yè)設(shè)備中，也經(jīng)常用到PID調(diào)節(jié)，其微分方程為：

上式中r（t）為給定值，c（t）為實(shí)際的輸出值。

（1）比例環(huán)節(jié)（P）：控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)成比例的變化，一旦產(chǎn)生偏差，會(huì)立即產(chǎn)生一個(gè)成比例的信號(hào)來減小偏差，比例控制不會(huì)去除誤差，只能反映出誤差[2]。

（2）積分環(huán)節(jié)（I）：積分項(xiàng)是用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而可以提高控制系統(tǒng)的控制精度，積分的時(shí)間常數(shù)TI在方程式的分母位置，所以其值越小積分項(xiàng)變化得越快，積分作用越大。

（3）微分環(huán)節(jié)（D）：主要作用是反映誤差的變化速率，并且在誤差變得太大之前，預(yù)先引入一個(gè)修正處理信號(hào)，從而加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度減少調(diào)節(jié)時(shí)間[2]。

4 結(jié)束語

通過本次四旋翼飛行器的研究與設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多東西。本文只是粗淺的對(duì)小型四旋翼基本結(jié)構(gòu)組成的簡(jiǎn)單介紹，不夠深入?；诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、成本低廉和獨(dú)特的控制方式，四旋翼無人機(jī)有著廣大的應(yīng)用價(jià)值，目前四旋翼飛行器的發(fā)展速度飛快，使得越來越多的人們爭(zhēng)相關(guān)注與研究。在之后的學(xué)習(xí)中會(huì)在小型無人機(jī)自適應(yīng)控制方面多加學(xué)習(xí)與研究。

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