四旋翼自主飛行器

杜永博 王欣偉 石航

摘 要 四旋翼飛行器是一種以4個電機為動力系統的裝置，通過控制電機的轉速控制飛行器飛行的高度與飛行速度。本系統以瑞薩R5F100LEA為主控芯片，其具有程序運行速度快，控制方便快捷等優點；4個旋翼的電機采用外轉子A2212/10T 1400KV無刷電機，具有轉速極快，應用廣泛等特點；同時，系統通過尋跡模塊，陀螺儀，超聲波模塊，控制飛行器的運行軌跡、飛行穩定性以及飛行高度；尋跡模塊采用激光傳感器對軌道黑線進行尋跡，其具有速度快，精度高，量程大等優點；超聲波模塊采用最常見的HC-SR04超聲波測距模塊，可提供2cm～400cm非接觸式距離感測功能，測距精度高達3mm。結合單片機對各個模塊的控制協調，實現對四旋翼飛行器的控制飛行的目的。

關鍵詞 四旋翼飛行器 傳感器 控制

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A

0 引言

四旋翼飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領域應用廣泛。相比其他類型的飛行器，四旋翼飛行器硬件結構簡單緊湊，而軟件復雜。本文介紹四旋翼飛行器的實現方案，包括硬件設計，軟件算法。

1 系統硬件方案設計

硬件部分主要由主控模塊，尋跡模塊、高度檢測模塊，電磁鐵模塊、電源模塊組成。下面分別介紹各個模塊。

1.1 尋跡模塊的選擇

激光傳感器由激光器、激光檢測器和測量電路組成，是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等，能非常準確地測出電動車與障礙物的距離，當垂直接受時，檢測距離可達1.2米，因此符合本設計要求。

1.2 垂直距離檢測模塊的選擇

此模塊采用常見HC-SR04超聲波測距模塊，可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現的。

1.3 電磁鐵模塊的選擇

用繼電器改裝電磁鐵，根據電磁鐵通斷電流控制磁力大小的原理，繼電器內部線圈的控制與電磁鐵原理十分相似，因此可以利用繼電器內部的通電線圈制作成電磁鐵。

1.4 電源模塊的選擇

采用直流電池供電，相應產生電池容量小、續航時間短和系統穩定性差的缺點。但此設計本身對電源要求不高，而且飛行器飛行時間相隨較短，采用11.0V蓄電池為控制系統的電調供電，經電調可輸出5V電壓，為單片機以及各個傳感器供電。而且用此電池可支持飛行器續航10分鐘以上，因此無需擔心電池電量對系統穩定性的影響。

2 系統軟件方案設計

2.1 陀螺儀的分析與計算

對于陀螺儀等靜止時0輸出的傳感器，可以很方便的校正零偏。把傳感器固定好，這時對輸出值求平均值，得到的A即為零偏。實際使用時，把得到的值減去零偏，得到的就是校正值。A為零偏值，3*1矩陣，單位：LSB；Yi為校正好的值，3*1矩陣，單位：red/s；Xi為測量原始值，單位：LSB；gain為轉換系數，單位（red/s）/LSB，有傳感器的數據手冊給出。

2.2 姿態的表示

飛行器的姿態，是指飛行器的指向，一般用三個姿態角表示，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉角（roll）。更深一層，姿態其實是一個旋轉變換，表示機體坐標系與地理坐標系的旋轉關系，這里定義姿態為機體坐標系向地理坐標系的轉換。旋轉變換有多種表示方式，包括變換矩陣、姿態角、轉軸轉角、四元數等。

因為姿態實質是一個旋轉變換，根據剛體有限轉動的歐拉定理，旋轉變換是可以串聯的，所以一個姿態可以經過一個旋轉變換，變成另一個姿態。類比點和向量的概念，姿態相當于點，旋轉相當于向量，點可以通過加向量，變成另一個點。如果用矩陣表示旋轉，旋轉的串聯由矩陣乘法來實現。如果用四元數表示旋轉，則由四元數的乘法來實現旋轉串聯。

用四元數來表示旋轉，組合旋轉時比用其他方法運算量更少，所以無論在計算機圖形學、飛行器控制等涉及剛體旋轉的領域，四元數都有舉足輕重的地位。

3 結束語

系統主要完成對飛行器飛行過程中飛行的平衡、飛行時間與飛行速度的控制，通過陀螺儀與加速度計完成飛行器的平衡與速度調節控制，符合設計要求。系統控制簡單，界面友好，已投入使用。

參考文獻

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