小型四軸飛行器控制系統(tǒng)的研究

李邵穎，趙文娟，王増彩

（沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

四軸飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能卓越的新型無人機(jī)。具有適應(yīng)性強(qiáng)、成本較低、控制方式便捷等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、航拍、軍事等領(lǐng)域。國外對四旋翼飛行器的研究偏向于電子領(lǐng)域、控制領(lǐng)域、以及材料領(lǐng)域的快速發(fā)展和技術(shù)突破。國內(nèi)研究更多的是偏向于飛行器的飛行器建模、控制策略等方面的研究。

1 小型四軸飛行器系統(tǒng)的總體設(shè)計

此小型四軸飛行器以STM32F103CB為主控芯片，采用四元數(shù)，結(jié)合PID控制算法并利用RTX實(shí)時操作系統(tǒng)對其進(jìn)行姿態(tài)控制。飛行過程中只需實(shí)時調(diào)整四個旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動。通過MPU6050運(yùn)動處理傳感器采集等安裝在四軸飛行器上的多個傳感器并發(fā)處理，采集四軸實(shí)時飛行姿態(tài)，電池電量等信息。其四軸飛行器的遙控控制部分采用無線通訊模塊WFT072.4 GHz。

2 小型四軸飛行器的硬件設(shè)計

四軸飛行器控制系統(tǒng)硬件部分主要包括主控模塊、電源模塊、無線通訊模塊、MPU6050運(yùn)動處理傳感器、電子羅盤以及電機(jī)驅(qū)動模塊等部分。

2.1 主控模塊

四軸飛行器主控模塊采用STM32F103CB芯片此系列芯片采用ARMCoretex-M3內(nèi)核，具有低功耗、超高速等優(yōu)點(diǎn)，四軸飛行器在工作期間STM32將接受到的遙控命令數(shù)據(jù)與將當(dāng)前姿態(tài)與目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行比較，經(jīng)PID控制算法，輸出相應(yīng)的PWM波到電機(jī)驅(qū)動模塊，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整。

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊與普通MOS管元件組成電機(jī)模塊不同。四軸飛行器采用的無刷電機(jī)需單獨(dú)設(shè)計電子調(diào)速器作為電機(jī)驅(qū)動模塊，并且還需考慮開關(guān)頻率特性，依據(jù)電機(jī)控制速率選取不同工作頻率元器件。

2.3 MPU6050運(yùn)動處理傳感器

MPU-60X0運(yùn)動處理傳感器是全球首例9軸運(yùn)動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀和加速度計，對陀螺儀和加速度計分別采用三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。解決了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，并且減少了大量的封裝空間。

圖1 四軸飛行器的運(yùn)動處理傳感器

3 四軸飛行器軟件的設(shè)計

遙控器是一種用來遠(yuǎn)程控制某個裝置的器件。本次設(shè)計借助了eclipse軟件對四軸飛行器的遙控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槳轉(zhuǎn)速的快慢和偏航方向。

4 結(jié)語

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作，達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。