基于Arduino平臺(tái)的四軸飛行器設(shè)計(jì)

吳振磊 王軒 楊輝

摘要：科技改變了人們的生活，近些年來，伴隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械控制技術(shù)、大型集成電路技術(shù)的發(fā)展，四軸飛行器在人們的學(xué)習(xí)、生活、工作中得到了廣泛的應(yīng)用，前景非?？捎^，因此得到了人們廣泛的關(guān)注。本文介紹了一種以Arduino平臺(tái)為核心的四軸飛行器的實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體構(gòu)造、硬件電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)步驟。經(jīng)測試后所得結(jié)果表明該飛行器系統(tǒng)可靠度強(qiáng)，應(yīng)用成本低，可擴(kuò)展性高，同時(shí)對后續(xù)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器;Arduino平臺(tái);ATMEGA328P芯片;

中圖分類號： V278????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1?? 引言

四軸飛行器最早是為了滿足軍事用途而被研發(fā)出的新式飛行器，隨著科技的進(jìn)步，處理器、傳感器、電動(dòng)機(jī)、單片機(jī)、鋰鐵電池等技術(shù)日益成熟，四軸飛行器在民用領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展和普及。目前，四軸飛行器已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如制作廣告所需的航拍、農(nóng)藥噴灑、森林火災(zāi)巡查、高壓電網(wǎng)檢查、益智玩具、災(zāi)害搜救和軍事打擊等。近年來，許多學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)以及DIY愛好者通過對四軸飛行器進(jìn)行分析，建立了系統(tǒng)的研究體系，具有廣闊的前景。

現(xiàn)如今，人們普遍應(yīng)用的飛行器有固定翼飛機(jī)和直升機(jī)，相比于固定翼飛機(jī)，四軸飛行器的機(jī)動(dòng)性能較好，能夠做到懸停、平行旋轉(zhuǎn)、垂直起降等固定翼飛機(jī)無法完成的動(dòng)作，然而同時(shí)也帶來了續(xù)航時(shí)間短、飛行速度慢的缺點(diǎn)。而與普通直升機(jī)相比，四軸飛行器飛行狀態(tài)靈活且無須尾漿，因此結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。

2?? 基本控制原理

在四軸飛行器中，四個(gè)螺旋槳共同旋轉(zhuǎn)形成一個(gè)平面，靠飛控系統(tǒng)來控制每一個(gè)電機(jī)的動(dòng)力輸出，以此來控制這個(gè)平面的傾斜程度，依靠升力的分力來對飛行方向進(jìn)行調(diào)整。眾所周知，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)對機(jī)身做反扭力，因此四軸飛行器的螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向并不是相同的，而是相鄰的兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反，相對的兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，如此一來就可以克服機(jī)身整體的反扭力，使四軸飛行器保持穩(wěn)定的狀態(tài)。假如要完成上升或下降動(dòng)作，則只需增加或減小螺旋槳的轉(zhuǎn)速;假如要完成水平方向移動(dòng)的動(dòng)作，則只需加大相反方向螺旋槳的轉(zhuǎn)速;假如要完成水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作，只需要讓相對兩個(gè)同向的螺旋槳加速，其余兩個(gè)螺旋槳減速，改變反扭力的平衡狀態(tài)，但保持飛行器的總升力保持不變，就可以實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作了。具體控制方法如圖1所示：

?例如圖f所示，在我們增大1號電機(jī)的轉(zhuǎn)速的同時(shí)減小3號電機(jī)的轉(zhuǎn)速，飛行器將會(huì)向后飛行。而如圖c和g所示，當(dāng)我們同時(shí)增大（或減小）四個(gè)電機(jī)的相同轉(zhuǎn)速時(shí)，四軸飛行器將會(huì)垂直上升（或下降）;當(dāng)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力與四軸飛行器自身的重力相同時(shí)，飛行器將會(huì)處于懸停的狀態(tài)。通過控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變螺旋槳的升力，從而改變四軸飛行器的平衡狀態(tài)，以此來實(shí)現(xiàn)對四軸飛行器飛行姿態(tài)的控制。

3? 單元電路原理及結(jié)構(gòu)

3.1 主控模塊

本四軸飛行器的控制算法是基于Arduino平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。在選擇系統(tǒng)方面，我們選用了Arduino Uno R3作為該四軸飛行器的主控制平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)的核心處理器為ATMEGA328P，該處理器擁有14路數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入/輸出口，其中六路是作為PWM輸出，其余的分別為1C、串口和SPI通信接口和十位內(nèi)置A/D，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，主控模塊如圖2所示。

3.2 姿態(tài)檢測模塊

為了獲取四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，我們選擇了MPU-6050來作為四軸飛行器的姿態(tài)檢測裝置，以此檢測四軸飛行器的線性加速度和角速率的變化。MPU-6050是全世界第一個(gè)六軸的運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它將一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器、一個(gè)三軸MEMS陀螺、一個(gè)三軸MEMS加速度計(jì)三個(gè)裝置整合為一體，大大減小了四軸飛行器的重量，降低了飛行難度，簡化了制作流程。其中，DMP還兼具硬件濾波器的功能，因此通過編寫程序我們可以得到更穩(wěn)定的飛行器的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以大大提高四軸飛行器的飛行穩(wěn)定性，MPU6050電路如圖3所示。

3.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

為了應(yīng)對四軸飛行器的電機(jī)長時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)的情況，我們選用了使用無刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是可以使用數(shù)字變頻控制技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制并且具有更大的可以調(diào)節(jié)從一到一萬每秒的轉(zhuǎn)速范圍，結(jié)構(gòu)簡單、噪音較小、維護(hù)方便并且成本低廉，這里我們選用了720空心杯電機(jī)，已經(jīng)足以滿足我們的需求。用來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置是無刷直流電調(diào)，它可以根據(jù)控制信號（PWM波的占空比）的變化根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。用來驅(qū)動(dòng)四軸飛行器的電源我們選用了輸出電壓為3.7V，容量為600mAh的鋰鐵電池，用來驅(qū)動(dòng)小型的四軸飛行器已經(jīng)足夠滿足需求并且方便攜帶。

該四軸飛行器的電路板上還可搭載電池管理芯片和驅(qū)動(dòng)電機(jī)用的MOS管，使得搭建工作會(huì)更加簡便。

4?? 姿態(tài)數(shù)據(jù)處理及控制

4.1 濾波處理

飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理能力將會(huì)直接影響飛行器的控制精度，好的姿態(tài)數(shù)據(jù)效果可以大大改善飛行器的飛行質(zhì)量，為了對不穩(wěn)定且噪音較大的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用了硬件和軟件相結(jié)合方法。硬件濾波方面直接使用了MPU-6050傳感器上自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，它能夠接收處理源于加速度計(jì)、陀螺儀的數(shù)據(jù)，處理的結(jié)果能夠從DMP寄存器里讀出，并且比一般陀螺儀和加速度計(jì)讀取的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，還減小了飛行過程中所產(chǎn)生的噪聲。

4.2 姿態(tài)控制算法

經(jīng)過軟件、硬件濾波處理后的姿態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量與信噪比相比之前有了明顯的改善，方便我們更精確地控制四軸飛行器的姿態(tài)。該系統(tǒng)的控制算法采用了PID控制。PID控制器是一種線性結(jié)構(gòu)的控制器。它是由被控制的期望值和實(shí)際的輸出值形成一個(gè)控制偏差，而后將產(chǎn)生的偏差按比例（P），積分（I），微分（D）的關(guān)系，使用線性組合方式構(gòu)成合適的控制量去控制被控制的對象。

5?? 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用了Arduino平臺(tái)作為飛行器主控平臺(tái)，采用ATMEG芯片作為主控芯片，利用PID算法可以較容易實(shí)現(xiàn)對飛行器姿態(tài)檢測及動(dòng)作的控制。同時(shí)，該平臺(tái)具有較好的可擴(kuò)展性，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求，通過在平臺(tái)上搭載各種通信模塊，如：紅外、藍(lán)牙、WiFi、Zigbee等，實(shí)現(xiàn)飛行器與其他智能控制終端的連接，滿足遠(yuǎn)程控制的要求，市場應(yīng)用前景廣闊。

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作者簡介：吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。

基金項(xiàng)目：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級大創(chuàng)項(xiàng)目：《基于Arduino平臺(tái)的四軸飛行器開發(fā)與設(shè)計(jì)》