四旋翼飛行器的設計及調試

曲行達

【摘 要】四旋翼飛行器結構簡易、姿態靈活、搭載外設方便，能實現航拍、監測等功能，是當前的研究熱點技術之一。在搭建的硬件平臺上，編寫了相應的控制程序，經過測試，實現了四旋翼飛行器的穩定控制。

【關鍵詞】四旋翼飛行器；姿態數據

【Abstract】The structure of four rotor aircraft is simple，flexible and easy to carry peripherals.Then taking aerial photo，monitoring and other functions can be realized easily.The corresponding control procedures were designed on the hardware platform.The testing shows that stability control of the four rotor aircraft is realized.

【Key words】Four rotor aircraft；Posture data

0 引言

本設計以實現四旋翼飛行器的穩定懸停與按照預定軌道自主飛行為目標，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結構與飛行原理，并通過實際調試，理解四旋翼飛行器的相關控制理論。

1 設計原理方案

四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對其飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度值進行采集，主控制器采用四元數方法及PID算法對姿態數據進行解算，并將計算后的PWM控制信號施加到電機上，進而實現對四旋翼飛行器的控制。

總體結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計

a.電機驅動電路設計

設計中采用SI2302 N溝道CMOS管進行電流的驅動放大。穩壓二極管D1起到續流及保護SI2302的作用，電機停轉過程中，電機內部線圈產生的反電動勢經D1形成放電通路，避免因無放電通路而擊穿驅動電路中的SI2302的問題。

b.無線收發電路設計

在設計中引入無線參數給定的思想，設計了無線收發電路，采用nRF24L01無線模塊實現數據的無線收發。

c.TPS63001穩壓電路設計

設計了TPS63001穩壓電路，TPS63001在1.8V～5.5V輸入時，均穩壓輸出3.3V，保證系統各控制電路電壓處于穩定狀態。

d.電池電壓檢測電路設計

設計了電池電壓檢測電路，通過適時調整PWM輸出信號的方式對飛行姿態進行補償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩定狀態。

3 軟件設計

核心控制器利用MPU6050采集參數，然后進行姿態解算，最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機上，通過調整各路PWM信號完成相應的飛行控制功能。

a.控制算法

（1）數據更新：由于設計中采用四元數進行歐拉角的計算，設計中采用四元數的自補償算法進行數據的更新，如式（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數，△t為MPU6050的采樣時間。

（2）姿態角的計算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角（分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角）。ψ、θ和φ的計算如式（4-5）、（4-6）、（4-7）所示。

（3）補償零點漂移：由于存在陀螺零點漂移和離散采樣產生的累積誤差，由載體坐標系下的三軸角速度計算得到的四元數只能保證短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片內部的加速度計對其進行矯正。式（4-8）、（4-9）、（4-10）為axB、ayB、aZB的數據歸一化。

Kp、Ki、Kd為PID的控制參數，利用PID算法通過式（4-23）、（4-24）、（4-25），分別求出施加在四個電機上的可調變量uψ、uθ、uφ。

（5）輸出整合：根據理論計算，施加在四個電機上的PWM輸出信號如式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）所示。

b.參數整定與調試

初次調試時，四旋翼飛行器自身不存在調節，當P值增加時，根據式（4-23）、（4-24）、（4-25）計算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再經式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）后，施加在四個空心杯電機上的PWM控制信號均有所變化。根據查閱的大量資料了解到D值是通過預測系統誤差的變化來減少系統的響應時間，提高系統的穩定性[2]。

c.姿態補償

當電池的電量持續消耗時，電機的轉速不斷降低，因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢，為了消除這一影響，利用MEGA2560實時檢測電池電壓，并適時調整PWM輸出信號來實現四旋翼飛行器的飛行姿態補償。由式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）知，通過增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機上的PWM信號，進而增大電機轉速，實現對飛行姿態進行補償。經大量實驗驗證，補償系數符合式（4-30）的規律，式中u1代表電池當前的電壓值。

當檢測到的電壓值低于2.6V時，飛行姿態將無法得到補償，必須停止飛行。將式（4-30）分別代入式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29），得到（4-31）、（4-32）、（4-33）、（4-34），此4式則為最終施加到4路電機的PWM控制信號。

4 結論

本文所設計的四旋翼飛行器結構簡易，實現了功能，滿足了設計的技術指標與功能要求，解決了因供電電壓不斷降低而導致的控制不穩的問題。

【參考文獻】

[1]宿敬亞，樊鵬輝，蔡開元.四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制[J].北京航空航天大學學報，2011，37（9）：1055-1056.

[2]國倩倩.微型四旋翼飛行器控制系統設計及控制方法研究[D].吉林大學，2013.

[責任編輯：田吉捷]endprint