基于物聯網的微型四旋翼飛行器的設計

摘 要： 針對微型四旋翼飛行器在小型無人機領域中獨具的優點，提出并采用多種傳感器、藍牙無線通信、嵌入式微控制器等物聯網技術，設計出一款基于物聯網的微型四旋翼飛行器。詳細闡述了其系統架構、硬件設計以及四元數算法、PID控制算法等。實踐表明，基于物聯網的微型四旋翼飛行器具有易于控制、飛行姿態穩定、轉向靈活等優點。

關鍵詞： 微型四旋翼飛行器； 物聯網； 藍牙； 四元數； PID

中圖分類號： TN967.6?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）13?0108?04

Abstract： Since the micro quad?rotor aircraft （QRA） has the unique advantage in the field of small unmanned aerial vehicle， a micro QRA based on Internet of Things （IOT） was designed by adopting the IOT techniques （such as sensors， Bluetooth wireless communication， embedded microcontroller， etc）. The system architecture， hardware design， quaternion algorithm and PID control algorithm of the micro quad?rotor aircraft are described in detail. The practice results show that the ORA based on IOT has the advantages of easy control， stable flight attitude and flexible steering.

Keywords： micro quad?rotor aircraft； Internet of Things； Bluetooth； quaternion； PID

0 引 言

四旋翼飛行器易于實現垂直升降和自由懸停，其機動性遠遠優于固定翼機型無人飛行器。并且其質量輕、體積小、便于攜帶，非常適合在復雜地形與狹小的空間內使用，尤其是人不適合或根本不能進入的惡劣環境[1?3]。同時在軍事上還可在近地面執行偵察、偵測與監視等多種任務，目前正受到國內外科研機構的熱切關注，成為小型無人機領域中的研究重點[3?5]。

隨著多種數字化、微型化、高精度的新型傳感器的不斷產生，四旋翼飛行器的性能不斷得到發展，正在朝著智能化、微型化、多功能化等方向發展，因此微型四旋翼飛行器是其發展的方向之一[6]。作為當前最具發展潛力的技術——物聯網技術，與微型四旋翼飛行器有機結合構成全新的基于物聯網的微型四旋翼飛行器，則是四旋翼飛行器未來發展的方向與潮流。

1 工作原理

微型四旋翼飛行器有四個交叉，且在同一高度的旋翼以相對的兩個旋翼為一組進行配置。這兩組旋翼以相反的方向旋轉，通過改變電機的輸出功率來改變轉子的轉速，以達到改變升力并產生運動的目的。同步減少或增加四個旋翼的轉速就能產生垂直運動，即垂直下降或垂直上升。以相反的方向改變一組旋翼的轉速，就能使俯仰角改變并同時產生相應的橫向運動；以相反的方向改變另一組旋翼的轉速能使滾動角改變并同時產生側向運動；每組旋翼的反向力矩差產生偏航角轉動。通過改變上述三個角的角度，就可以控制微型四旋翼飛行器朝著期望的方向飛行[1，6?7]。

2 系統架構

基于物聯網的微型四旋翼飛行器由微型四旋翼飛行器與智能飛行控制系統（一款安裝在智能手機上的管理軟件）構成，二者之間通過藍牙（BlueTooth）進行數據通信，如圖1所示。智能飛行控制系統把智能手機既作遙控器，也作接收器。用戶通過操作智能飛行控制系統來管理、控制微型四旋翼飛行器的飛行：垂直上升、垂直下降、向左移動、向右移動、向前移動、向后移動、空中懸停、空中滾轉、緊急停機等，并且微型四旋翼飛行器的飛行姿態及相關數據同時也會實時顯示在智能飛行控制系統上。微型四旋翼飛行器通過藍牙無線方式接收智能飛行控制系統發來的控制指令控制四個直流電機，以實現用戶所需的飛行姿態。

微型四旋翼飛行器由系統主控制器、3軸陀螺儀、3軸加速度計、3軸磁力計傳感器、藍牙無線通信模塊、USB接口穩壓電源、空心杯電機、狀態顯示LED燈等組成，其系統功能如圖2所示。

3 硬件設計

3.1 系統主控制器

系統主控制器采用STM32F103，該芯片采用高性能的ARM@CortexTM_M3 32?bit的RISC內核，其頻率為72 MHz，內置高速存儲器、增強型I/O口和豐富的外設。其中，包含3個通用16 b定時器、2個12 b ADC和1個PWM定時器，還包含標準、先進的通信接口：1個SPI接口、2個I2C接口、3個USART接口、1個CAN接口和1個USB接口 [8]，其電路設計如圖3所示。

3.2 陀螺儀與加速度計傳感器

陀螺儀與加速度計采用MPU6050。該芯片集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計以及1個可擴展的數字運動處理器（Digital Motion Processor，DMP）。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了3個16 b ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量[9]。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍均可由用戶控制。陀螺儀可測范圍為±250 dps，±500 dps， ±1 000 dps，±2 000 dps，而加速度計可測范圍為±2 g， ±4 g，±8 g，±16 g。其電路設計如圖4所示。

3.3 磁力計傳感器

磁力計傳感器采用HMC5883，該器件是一款表面貼裝的高集成模塊，并帶有數字接口的弱磁傳感器芯片。包括最先進的高分辨率磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括自動消磁驅動器、放大器、偏差校準，能使羅盤精度控制在1°～2°的12 b ADC，能在 ±8高斯的磁場中實現5毫高斯分辨率[10]。其采用I2C總線與外部主控制器進行數據通信。其電路原理如圖5所示。

3.4 藍牙通信模塊

藍牙通信采用BF4030無線模塊，其支持藍牙4.0標準協議的雙模藍牙模組，也支持BT3.0 Classic模式以及BT4.0 BLE模式。該模塊遵循BT4.0藍牙規范，具有工業級設計、傳輸距離遠、數據穩定等特點，支持標準BT3.0+EDR、標準BT4.0 BLE協議、SPP協議，也支持I2C，SPI，UART通信接口[11]。其電路設計如圖6所示。

4 飛行姿態控制四元數算法

用歐拉角控制飛行姿態，每次都要計算3次三角函數，其運算量大。為了避免計算三角函數，采用姿態四元數控制。與歐拉角控制一樣，先求姿態差，再把姿態差輸入到PID控制器來控制油門變化量。當前姿態記為目標姿態記為從當前姿態轉到目標姿態的旋轉，即姿態差，記為則有： （1）

假定姿態差為小量，三角函數可以用小角替換。根據四元數表示姿態的意義，由式（2）可知為各軸旋轉角的一半，作為PID的輸入式（3），最后根據式（4），得到控制油門變化量。由于是PID控制器，式（4）中的力矩系數可以忽略掉。

6 實物圖片

微型四旋翼飛行器實物圖片如圖8所示。

7 結 論

基于物聯網的微型四旋翼飛行器在硬件設計上采用“X”型設計，飛控板大面積鏤空，這樣在不降低飛控受力的情況下盡可能減輕飛控板重量。同時，在軟件設計上采用四元數解算飛控姿態角，運算量小，更新速度快；同時采用PID對多個飛控狀態量進行控制，以獲得更穩定的飛行效果和更迅速的姿態響應。

參考文獻

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LN1565/PF164481.

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[10] Honeywell. Datasheet of HMC5883L [EB/OL]. [2010?10?23]. http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/428790/HONEYWELL/HMC5883L.html.

[11] Kevin.BF4030微型藍牙模組技術規格書V3.2[EB/OL]. [2013?08?23]. http：//www.lanwind.com/files/BF4030?DS.pdf.