四軸飛行器的設(shè)計(jì)

王笑笑　周博　白菊梅　劉波

摘 要：隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，四軸飛行器被越來(lái)越多的人們喜歡和使用，特別是用于航拍和軍事領(lǐng)域，在不久的將來(lái)必然也會(huì)應(yīng)用于越來(lái)越多的其他領(lǐng)域。文章設(shè)計(jì)一款基于STM32F103C8T6為主控系統(tǒng)的小型四軸飛行器，采用keil5為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，用MPU6050芯片進(jìn)行姿態(tài)采集，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)分析，進(jìn)而控制其穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；單片機(jī)；PID

1 無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史及意義

無(wú)人飛行器是指具有動(dòng)力裝置，而不要求有專(zhuān)業(yè)操縱人員的飛行器。它利用螺旋槳通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)形成向地面的氣流來(lái)抵消機(jī)身的質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立飛行或者遠(yuǎn)程控制飛行。相對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)，旋翼無(wú)人飛行器的發(fā)展就較為緩慢，這是因?yàn)樾頍o(wú)人飛行器的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，早期的技術(shù)不能滿(mǎn)足飛行要求。然而旋翼機(jī)具備所有飛機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)大機(jī)翼的限制，具有自主起飛及下降功能，事故代價(jià)低等特點(diǎn)。四軸飛行器是多旋翼飛行器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，由于其應(yīng)用前景廣泛，很快就吸引了眾多研究者的注意，特別是以美國(guó)等西方國(guó)家為主的大學(xué)在無(wú)人機(jī)的控制算法研究以及導(dǎo)航等方面取得了不少成果。在我國(guó)，北京理工大學(xué)在基于PID控制算法，姿態(tài)控制方面也取得一定的成果。國(guó)防科技大學(xué)從2004年開(kāi)始對(duì)四軸飛行器相關(guān)技術(shù)展開(kāi)研究，并自主設(shè)計(jì)了四軸飛行器的原型樣機(jī)。但四軸飛行器真正的進(jìn)入公眾視野卻是2012年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飛行器里程碑式的演講[2]。

2 四軸飛行器的動(dòng)力分析

2.1 四軸飛行器的飛行模式

四軸飛行器的飛行模式主要包括十字模式和X字模式兩種，如圖1所示。

十字模式下的飛行方向與其中一個(gè)電機(jī)的安裝方向一致，而X模式下的四軸飛行器前進(jìn)方向指向兩個(gè)電機(jī)中間。由于十字模式可以直接明了的分清四個(gè)電機(jī)在四軸飛行器飛行過(guò)程的作用，所以操縱簡(jiǎn)單，但動(dòng)作靈活性差。X模式飛行模式復(fù)雜，但動(dòng)作靈活。本次課題的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)采用X模式。

2.2 四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)分析

四軸飛行器的動(dòng)力來(lái)自機(jī)翼上的四個(gè)電機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳來(lái)提供空氣動(dòng)力，和普通風(fēng)扇一樣，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)通過(guò)自身的流線型結(jié)構(gòu)使空氣推向前方或后方（和將的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)）。而對(duì)于四軸飛行器而言，四個(gè)螺旋槳都需要將空氣推向下方，進(jìn)而產(chǎn)生向上的推進(jìn)力。對(duì)于空氣槳，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在空中停車(chē)后，螺旋槳繪像風(fēng)車(chē)一樣繼續(xù)沿著原方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象成為螺旋槳的自旋[3]。通過(guò)對(duì)槳的受力分析可知，如果某一只螺旋槳是順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，則該槳會(huì)對(duì)機(jī)身產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的反作用力，使得機(jī)身向逆時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)。如果我們使用四個(gè)一模一樣的槳，要使槳螺旋槳空氣推向下方，那么四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩就會(huì)朝著同一個(gè)方向，四軸則開(kāi)始瘋狂旋轉(zhuǎn)。因此，為了抵消螺旋槳的自旋，應(yīng)該使四軸飛行器相鄰的一對(duì)槳轉(zhuǎn)向相反，讓這一對(duì)槳產(chǎn)生的反作用力互相抵消。

四軸飛行器本身是的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)4個(gè)電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速相等且升力等于四軸飛行器本身重量時(shí)，四軸飛行器將會(huì)處于懸停狀態(tài)。當(dāng)飛行器處于懸停狀態(tài)時(shí)，可以有留個(gè)6個(gè)方向的自由度組合，即俯仰（前后運(yùn)動(dòng)）、橫滾（左右運(yùn)動(dòng)）、升降（上下運(yùn)動(dòng)）。

3 四軸飛行器的硬件設(shè)計(jì)

本文中，四軸飛行器的整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括電源模塊，控制模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器模塊和通訊模塊，如圖2所示。

電源模塊主要提供給多個(gè)模塊供電，提供的電壓主要分為三種3.3V，5V，3.4V-4.2V。其中3.3V主要是給控制器和姿態(tài)傳感器供電；5V主要是給通訊模塊供電，3.4V-4.2V（電池直接輸出）主要是給電機(jī)供電。

其中通訊部分主要是來(lái)自遙控器的四個(gè)通道信號(hào)。分別俯仰，橫滾，自旋和油門(mén)的指令；傳感器模塊作為飛行器的姿態(tài)檢測(cè)部分，將檢測(cè)到的角速度和角加速度信號(hào)通過(guò)控制器轉(zhuǎn)化成角度，用角度信號(hào)作為當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，與遙控部分的信號(hào)比較行程所需的閉環(huán)控制。

主控制器則處理通訊接收的遙控信號(hào)和傳感器采集的姿態(tài)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行融合處理，最終通過(guò)PID算法得出電機(jī)的控制值，其值最終以PWM的方式輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

4 四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，對(duì)于STM32系列微處理器，ST公司提供了強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)功能，使得整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以更多的注重算法和軟件架構(gòu)上。四軸飛行器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)都是為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)服務(wù)的，所以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM波是軟件系統(tǒng)的最終輸出。

軟件系統(tǒng)的主要功能有接收遙控器數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，讀取姿態(tài)傳感器中角速度和加速度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，串級(jí)PID算法結(jié)合從遙控收到解析后的目標(biāo)角度和數(shù)據(jù)融合后的當(dāng)前角度得出控制電機(jī)所需的PWM波。

4.1 姿態(tài)解算實(shí)現(xiàn)

姿態(tài)解算是飛行器能否正常控制的核心，其主要作用是從遙控器得到的目標(biāo)的姿態(tài)（歐拉角）與從姿態(tài)傳感器得到的角速度和加速度通過(guò)互補(bǔ)濾波和四元數(shù)算法轉(zhuǎn)化為實(shí)際歐拉角，目標(biāo)值與實(shí)際進(jìn)行運(yùn)算的最終結(jié)果提供給PID控制器，最終得到電機(jī)PWM的輸出值，其解算步驟如圖3所示。

4.2 PID控制算法

四軸飛行器的控制算法采用采用PID控制器作為系統(tǒng)的控制算法。PID控制器原理簡(jiǎn)單，具有魯棒性好、適用范圍廣，參數(shù)易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。PID控制算法在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中有者廣泛的應(yīng)用，其原理如圖4所示。

比例控制：能迅速反應(yīng)誤差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，從而減小誤差，但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差Kp的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分控制：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制器就不斷的進(jìn)行積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。

微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可以減小超調(diào)量，克制震蕩，從而提高系統(tǒng)性能。

因?yàn)樗妮S飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)非線性的控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID算法不但參數(shù)調(diào)制麻煩，而且控制起來(lái)比較難。所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是串級(jí)的PID控制，即將第一級(jí)的輸出作為第二級(jí)的輸入。外環(huán)采角度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用角速度環(huán)，采用串級(jí)的PID算法可以很好的控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要針對(duì)四旋翼的動(dòng)力學(xué)分析、硬件的各模塊需求分析與選擇、以及軟件整體框架及核心的算法的解讀與分析。其中硬件設(shè)計(jì)中，各模塊的選型和電路設(shè)計(jì)以及板子外形的是最容易出錯(cuò)的。

參考文獻(xiàn)

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[2]夏純.基于單片機(jī)的四軸飛行器[D].長(zhǎng)春：吉林建筑大學(xué)，2015.

[3]龍小輝.PA44-180飛機(jī)調(diào)速器維修技術(shù)研究及信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：王笑笑（1995，05-），女，陜西漢中人，學(xué)歷：本科，咸陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)2014級(jí)，研究方向：智能控制。