四旋翼飛行器設計方案

北方民族大學 郭 蕭 祝 玲 郭 青 葉麗榮

四旋翼飛行器設計方案

北方民族大學 郭 蕭 祝 玲 郭 青 葉麗榮

四旋翼飛行器如今已為眾人所熟知，四旋翼的應用也比較廣泛，本文重點講解一下四旋翼飛行器的具體設計方案，本設計使用到主控芯片Cotex-M4 K60，無線通訊模塊ZigBee，角度傳感器，電機驅(qū)動模塊，以及電源管理模塊，無刷電機等組成，具體實現(xiàn)過程為主控芯片通過互補算法，卡爾曼濾波算法等實現(xiàn)角度計算和通過PID、模糊算法等控制計算電機控制輸出，同時實時獲取地面站指令，完成相應動作。

四旋翼飛行器；無線通訊；互補算法；PID

引言

隨著四旋翼飛行器的迅速發(fā)展，四旋翼飛行器在日常生活中的使用越來越頻繁，抗險救災，農(nóng)藥噴灑，崗位執(zhí)勤等方面愈發(fā)凸顯四旋翼飛行器的使用價值。本文目的在于提出一種四旋翼飛行器的設計方案。

圖1 總體設計方案

1 總體設計方案

本設計中使用Cotex-M4 K60作為主控制器，該控制器主要應用于汽車行業(yè)，經(jīng)過多年的測試和使用其穩(wěn)定性已不言而喻，flash容量高達512KB,富有豐富的內(nèi)部資源，性能可靠，抗干擾能力強，高達200MHz的鐘頻率，是多任務控制器的不二之選。該控制器其主要任務是實時接收地面站命令，同時實時計算飛行器當前的角度，并實時調(diào)整當前電機的轉(zhuǎn)速，以達到四旋翼飛行器的穩(wěn)定。無線部分由主從ZigBee無線模塊組成，主ZigBee主要完成地面站命令發(fā)送，以及應答信號接收，從ZigBee安裝到四旋翼飛行器上，其主要任務是檢測獲取主機命令然后發(fā)送給四旋翼飛行器主控芯片Cotex-M4 K60，主控芯片收到命令之后，做出應答，同時根據(jù)當前的狀態(tài)完成相應的動作。總體設計方案框圖如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)電源

2 硬件系統(tǒng)設計（部分圖）

2.1 電源模塊

由于芯片、LCD屏供電需要3.3V,角度等傳感器需要5V電源，故硬件電路設計時做了兩路電源。傳感器使用的電源要求紋波要盡可能地少，本方案中采用了效率較低但紋波較小的芯片LM2940（效率僅有40%左右），而沒有采用效率較高紋波較大的開關電源（效率高達90%），圖2為系統(tǒng)電源部分。

2.2 電機輸出模塊

如圖3所示為系統(tǒng)緩沖門，目的是放置驅(qū)動在測試過程中損壞，回流電流過大損壞主控芯片添加的隔離緩沖門電路。

圖3 驅(qū)動緩沖門

2.3 無線傳輸模塊

如圖4所示為ZigBee無線傳輸模塊，該模塊載波在2.4GHz頻段，穩(wěn)定性高，傳輸距離遠，數(shù)據(jù)傳輸速率可調(diào)。

圖4 ZigBee無線傳輸模塊

2.4 LCD屏顯模塊

LCD屏顯模塊主要是用來下位機數(shù)據(jù)調(diào)試使用，便于脫機調(diào)試時實時觀察飛行器內(nèi)部參數(shù)，最終成品不含有該模塊。

圖5 LCD屏顯模塊

3 軟件系統(tǒng)設計

如圖6為系統(tǒng)軟件控制流程圖，系統(tǒng)初始化完成以后，在不同的1ms時間片中斷里分別執(zhí)行相應的任務，第一個毫秒內(nèi)做任務一，其內(nèi)容為獲取當前飛行器的三軸角度、角速度數(shù)字量或者模擬量。然后在第二個毫秒內(nèi)根據(jù)三軸角度值、角速度值進行角度合成和角度矯正。第三個毫秒內(nèi)主要使計算四個電機的實際輸出轉(zhuǎn)速。第四個毫秒內(nèi)完成飛行器的高度、航向獲取，為懸停做準備。第五個毫秒主要進行系統(tǒng)安全檢測，當檢測到異常信號是，系統(tǒng)會在主任務里完成迫降任務。如此循環(huán)下去，直至關機系統(tǒng)停止運行。

圖6 系統(tǒng)軟件控制流程圖

4 結(jié)語

該方案設計的四旋翼飛行器已經(jīng)過測試，達到預期效果，在設計過程中應當注意到的是系統(tǒng)安全及其穩(wěn)定性的要求，因為四旋翼飛行器的穩(wěn)定性直接影響人身、財產(chǎn)安全問題。設計和調(diào)試系統(tǒng)的時候務必要做好防范措施以及緊急情況處理程序，在初步確認系統(tǒng)成熟以后，出于多方面考慮有一定的必要設計一下雙系統(tǒng)控制，以便使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使其魯棒性更強。

[1]鄒伯敏．自動控制理論(第三版)[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2007．06．

[2]智能車競賽秘書處．電磁組直立行車參考設計方案(版本 2．0)[Z]．2012．03．

Four rotor design

GuoXiao ZhuLing GuoQing YeLirong
(Beifang University of Nationalities, Ningxia Yinchuan City,750021,China)

Constitute a quadrotor has now for all known, the use of four rotor is also widely used, this paper explain the key to the specific design of the four rotor aircraft. The design used to main control chip Cotex-M4 K60, ZigBee wireless communication module, angle sensor, motor drive module and power management module, no brush motor etc., the specific implementation process as the main control chip through the complementary algorithm, Kalman filter algorithm realize the angle calculation and the PID or fuzzy control algorithm in the calculation of the motor output control, and real-time access to the ground station to make, appropriate action.

Four rotor aircraft；wireless communication；complementary algorithm；PID

郭蕭（1993-），男，大學本科，單片機開發(fā)與應用工程師，研究方向：單片機。

祝玲（1978-），女，講師，研究方向：微電子。

郭青（1992-），男，大學本科，機械工程師，研究方向：機械工程。

葉麗榮（1993-），女，大學本科，研究方向：單片機。