四軸旋翼飛行器系統(tǒng)的設(shè)計

西安石油大學(xué) 劉 麗 顏 瑾 賈覃溶釗 杜雨欣 郝 杰 王曉倩 韓楚贏

本文設(shè)計了一種微小型的四軸旋翼飛行器方案。在硬件方面，使用STM32芯片作為主控CPU，在無線通信方式上，選擇NRF24L01和藍牙。在控制算法上采用了經(jīng)典的PID算法，結(jié)合平衡補償實現(xiàn)了飛行器的穩(wěn)定飛行。

1.系統(tǒng)總體框圖

四旋翼飛行器（鄧矛.關(guān)于四軸飛行器的姿態(tài)動力學(xué)建模[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2012(9):256-256.）機動靈活，成本低廉，安全可控。另外，短距離的無線通信技術(shù)迅速普及，在四旋翼飛行器中嵌入藍牙、Zigbee、NRF24L01等無線通信模塊，不僅可以直接接收飛行數(shù)據(jù)和航拍數(shù)據(jù)，還可以遙控引導(dǎo)飛行器。

圖1-1 四軸旋翼飛行器總體系統(tǒng)框圖

2.部分硬件模塊設(shè)計

在四軸飛行器系統(tǒng)中，通常包括測量飛機運動信息的各種傳感器，如陀螺儀、加速度計、高度表等。也包括控制飛行器運動的控制計算機和電傳設(shè)備等（唐懋.基于Arduino兼容的Stm32單片機的四旋翼飛行器設(shè)計[D].廈門大學(xué),碩士論文, 2014.）。本設(shè)計主要研究的是四軸飛行器遙控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，固在傳感器上僅使用到最基本的陀螺儀和加速度計作為機載傳感器。而在通信方式上選擇了NRF24L01與Bluetooth同時兼容的辦法。

2.1 CPU選型

CPU是整個系統(tǒng)的核心器件，四軸飛行器的姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)收發(fā)、電機控制等運算都由CPU來完成。固CPU的選型對整個系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。

表1 .1 常用CPU性能比較

STM32F103T8U6為3.3V供電，共有24個IO口。芯片內(nèi)含2個ADC模塊共有18路ADC接口、含有一個硬件SPI接口和一個硬件I2C接口、一個USART接口、帶四路通道的定時器兩個，符合本設(shè)計功能要求。

2.2 無線模塊的選型

本設(shè)計采用NRF24L01和Bluetooth對四軸旋翼飛行器進行無線遙控。由于當(dāng)前大部分手機和電腦都帶有藍牙功能，固采用Bluetooth與PC端上位機交流，同時接收Android端的控制信號。

3.PID控制算法

四旋翼飛行器的控制主要包括姿態(tài)控制和位置控制，位置的改變是由姿態(tài)的變化而引起的，所以控制四旋翼飛行器的姿態(tài)是很重要的。為了實現(xiàn)對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制，通常情況下采用的是比較成熟的PID控制（張鐳,李浩.四旋翼飛行器模糊PID姿態(tài)控制[J].計算機仿真, 2014, 31(8):73-77.）。

PID算法是一種閉環(huán)的最優(yōu)控制算法，在控制過程中需要從控制對象獲得反饋信號。由給定信號r(t )與反饋信號c(t )之差得到偏差e(t )，通過比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的計算得到對控制對象的輸出值。PID控制算法原理如圖3-1所示。

圖3-1 PID控制原理

在該設(shè)計中，分別設(shè)計了三組相互獨立的PID算法，以俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、自旋角為控制變量。其中給定量為飛行器從遙控器接收到的期望角度，反饋量即為通過姿態(tài)解算得到的姿態(tài)角，兩者之差即為偏差e，對偏差e進行PID運算，三組PID輸出分別為俯仰角疊加量、滾轉(zhuǎn)角疊加量、自旋角疊加量。將以上三個疊加量與遙控器發(fā)送來的油門信號疊加量進行疊加，得到四旋翼飛行器四個電機的PWM輸入值。

4.機體平衡補償

該飛控為開源板（楊陽,儲祝穎.基于APM開源飛控平臺的四軸旋翼飛行器[J].信息通信,2015.），機體搭載了電池、傳感器等設(shè)備，使得飛行器質(zhì)量分布不均勻。起飛時，可能導(dǎo)致起飛時機體不穩(wěn)，產(chǎn)生震蕩，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致墜機。因此可以根據(jù)飛行器的質(zhì)量分布，利用PWM對電機直接進行平衡補償。即將飛行器放置在水平地面上，逐漸加大油門，觀察飛行器起飛時偏移的方向，機體偏移的方向便是質(zhì)量分布較重的方向，則對該方向上的電機進行一定量的PWM補償，如此往復(fù)測試幾次，便可以達到較好的補償效果。經(jīng)過試飛測試，平衡補償在應(yīng)用中起到了很好的效果。

圖4-1 未加補償?shù)娘w行姿態(tài)

圖4-2 加入補償?shù)娘w行姿態(tài)

圖4-1和圖4-2都是在PC端上位機對飛行器姿態(tài)進行的監(jiān)測圖，其中紅色線條表示俯仰角，藍色線條表示滾轉(zhuǎn)角。如圖4-1所示，未加入平衡補償時，可以觀察到飛行器起飛時滾轉(zhuǎn)角的方向有明顯的抖動，這種抖動的安全隱患極大，應(yīng)該及時消除。圖4-2中為加入平衡補償后的姿態(tài)監(jiān)測，此時飛行器起飛平穩(wěn)，沒有抖動。此外，在4-2圖中都能看到，圖像的尾部出現(xiàn)了抖動，這是微小型四旋翼飛行器在降落的過程中，接觸地面時發(fā)生的抖動，由于這時電機已經(jīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，所以不會造成安全隱患。

5.總結(jié)

該設(shè)計的無人機使用的是簡單的PID控制方法，控制能力有限，控制效果還有待于提高。