四 旋 翼 飛 行 器 實(shí) 驗(yàn) 平 臺(tái) 設(shè) 計(jì)

徐 杰， 祁紅巖

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

徐 杰， 祁紅巖

(黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103，采用MPU6050測(cè)量飛行器的姿態(tài)，采用GPS測(cè)量飛行器的位置，采用串級(jí)PID對(duì)飛行器進(jìn)行控制，外環(huán)控制飛行器的位置，內(nèi)環(huán)控制飛行器的姿態(tài)，經(jīng)過(guò)Matlab/Simulink仿真可以看出,所設(shè)計(jì)的控制器可以滿足要求。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用范圍較廣泛，不同專(zhuān)業(yè)、年級(jí)的學(xué)生都可以在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行理論知識(shí)的驗(yàn)證以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，取得了良好的教學(xué)效果。模塊化的設(shè)計(jì)思想便于學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

四旋翼飛行器； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； PID控制

0 引 言

根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略《中國(guó)制造2025》，我國(guó)將在2025年從工業(yè)大國(guó)邁入工業(yè)強(qiáng)國(guó)的行列，而自主創(chuàng)新能力的實(shí)現(xiàn)是能否進(jìn)入工業(yè)強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵所在。因此現(xiàn)如今，我國(guó)需要的是應(yīng)用型創(chuàng)新人才，應(yīng)用創(chuàng)新型人才不同于一般的人才，不僅要掌握專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，而且要靈活運(yùn)用理論知識(shí)，是 “應(yīng)用型、技術(shù)型”創(chuàng)新人才[1-2]。

通過(guò)調(diào)查研究，多數(shù)學(xué)生缺乏將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的能力，不能將所學(xué)到的理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，主要是因?yàn)閷W(xué)生參加實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，而且現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)一般都是針對(duì)某一單一課程所設(shè)置的，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。本文所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涉及多門(mén)理論課程的內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力[3]。

1 四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)適合自動(dòng)化、電子信息工程、機(jī)電一體化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4]。為了便于日后的維修和擴(kuò)展，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[5]。四旋翼飛行器涉及到多門(mén)主干課程，可以為多門(mén)課程提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四旋翼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

系統(tǒng)由主控芯片、加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓高度傳感器、GPS模塊、無(wú)線通信模塊、電子調(diào)速器和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等組成[6-7]。硬件框圖如圖2所示。

圖2 四旋翼飛行器硬件框圖

1.1傳感器姿態(tài)測(cè)量模塊

系統(tǒng)采用MPU6050來(lái)測(cè)量四旋翼飛行器的姿態(tài)。MPU6050傳感器包含一個(gè)3軸的陀螺儀和一個(gè)3軸的加速度計(jì)[8]。利用磁阻傳感器HMC5883L校準(zhǔn)航向。在位置測(cè)量上采用UBlox的GPS模塊。采用氣壓高度計(jì)MS5611測(cè)量飛行器的高度。此模塊可以作為傳感器等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.2主控制芯片

主控制器采用STM32F103芯片，該芯片工作頻率高達(dá)72 MHz，擁有64個(gè)雙向引腳，2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)資源比較豐富，能滿足設(shè)計(jì)要求。此模塊可以作為單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.3電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

因?yàn)樗男盹w行器要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，本系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。采用電子調(diào)速器對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，根據(jù)PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此模塊可作為電動(dòng)機(jī)學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.4無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是四旋翼飛行器的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)無(wú)線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)地面站對(duì)四旋翼飛行器的控制和跟蹤定位，也可以把自身的信息傳給地面站。本系統(tǒng)采用NRF2401進(jìn)行無(wú)線通信。此模塊可作為通信等課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.5電源模塊

電源采用輸出電壓為11.1 V的鋰電池HENGLI-10AH，由于四旋翼飛行器系統(tǒng)需要3.3、5 V等多種電源，設(shè)計(jì)了DC-DC變換電路。本系統(tǒng)采用LM2575系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3、5 V等電源給系統(tǒng)供電。

2 四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型

四旋翼飛行器是一種具有6個(gè)自由度、4個(gè)控制輸入的多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)[9]。為了建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，需要建立機(jī)體坐標(biāo)系B(Oxyz)和地面坐標(biāo)系E(OXYZ),如圖3所示。圖中,Fi(i=1，2，3，4)為每個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力。

圖3 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的關(guān)系

用歐拉角θ、φ、ψ表示四旋翼飛行器的姿態(tài)。φ為滾轉(zhuǎn)角，表示坐標(biāo)系B相對(duì)坐標(biāo)系E沿x軸旋轉(zhuǎn)的角度；θ為俯仰角，表示坐標(biāo)系B相對(duì)坐標(biāo)系E沿y軸旋轉(zhuǎn)的角度；ψ為偏航角，表示坐標(biāo)系B相對(duì)坐標(biāo)系E沿z軸旋轉(zhuǎn)的角度[10]。

為了便于系統(tǒng)分析，在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)進(jìn)行了如下假設(shè)：①忽略空氣的阻力；②飛行器的重心與坐標(biāo)系B原點(diǎn)重合；③飛行器是剛性的[11]。

所建立的動(dòng)力學(xué)模型為：

U4=F2+F4-F1-F3

式中:l為每個(gè)螺旋槳中心到飛行器質(zhì)心的系數(shù);Ix、Iy、Iz分別為x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

3.1仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

建立四旋翼飛行器的動(dòng)力型模型后，利用Matlab/Simulink設(shè)計(jì)控制器對(duì)四旋翼飛行器系統(tǒng)進(jìn)行控制[12]。設(shè)計(jì)雙閉環(huán)串級(jí)PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，四旋翼飛行器的控制框圖如圖4所示，外環(huán)控制飛行器位置，內(nèi)環(huán)控制飛行器姿態(tài)[13-15]。

圖4 四旋翼飛行器控制框圖

四旋翼無(wú)人機(jī)的初始位置為[0，0，0]m，目標(biāo)位置為[1，1，1]m，飛行器的位置仿真如圖5所示，飛行器的姿態(tài)仿真如圖6所示。

(a) x軸位移

(b) y軸位移

(c) z軸位移

圖5 位置仿真曲線

(a) 俯仰角

(b) 滾轉(zhuǎn)角

(c) 航向角

圖6 姿態(tài)角仿真曲線

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，四旋翼飛行器在約4 s時(shí)到達(dá)期望位置，在到達(dá)期望位置后，姿態(tài)角均為0，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的控制器基本可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。四旋翼飛行器的控制除了可以采用PID控制，還可以采用滑膜控制、自適應(yīng)控制等。

3.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

多門(mén)理論課可以利用四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不同模塊開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練項(xiàng)目如表1所示。

表1 相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)踐，取得了較好的效果。學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練后，不僅對(duì)理論知識(shí)有了更深一步的理解，而且提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適合不同年級(jí)、不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生使用。低年級(jí)的學(xué)生主要是配合理論課程在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。高年級(jí)學(xué)生以此平臺(tái)為基礎(chǔ)可以進(jìn)行自主研發(fā)，對(duì)四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更新和擴(kuò)展設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)這樣的訓(xùn)練不僅培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐能力，還可以增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于多門(mén)理論課的實(shí)踐教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用范圍較廣，因?yàn)椴捎媚K化設(shè)計(jì)，便于滿足學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[1] 朱夢(mèng)冰.應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35(7)：186-189．[2] 孫莉莉．應(yīng)用型本科院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)探究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35(7)：269-271．

[3] 羅 偲，紀(jì)仁杰，韓彬．基于Odroid的四旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33(11)：165-167．

[4] 王 茜．自動(dòng)化綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)模式[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(10)：96-98．

[5] 邢維巍，樊尚春，孫晉豪．微弱電信號(hào)檢測(cè)分析綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(5)，67-70．

[6] 段世華．四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]．成都:成都電子科技大學(xué)，2013．

[7] 岳基隆，張慶杰，朱華勇．微小型四旋翼無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J]．電光與控制，2012，17(10)：46-52．

[8] 萬(wàn)云霞，許倫豹，胡 龍．基于Arduino的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33(4)，389-396.

[9] 蔣 彪，楊光友，鄧惠軍．小型四旋翼飛行器位姿建模及其仿真[J]．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，31(5)，18-21．

[10] 程廣明．四旋翼直升機(jī)的建模與飛行控制研究[D]．哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2011．

[11] 廖衛(wèi)中，宗 群，馬亞麗．小型四旋翼無(wú)人機(jī)建模與有限時(shí)間控制[J]．控制理論與應(yīng)用，2015，32(10)：1343-1350．

[12] 王素青，姜維福．基于Matlab/Simulink的PID參數(shù)整定[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28(3)：24-25．

[13] 徐 璟，蔡晨曉，李勇奇．小型四旋翼無(wú)人機(jī)雙閉環(huán)軌跡跟蹤與控制[J]．控制理論與應(yīng)用，2015，32(10)：1335-1342．

[14] 宿敬亞，樊鵬輝，蔡開(kāi)元．四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制[J]．北京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37(9)：1054-1058．

[15] 白永強(qiáng)，劉 昊，石宗英．四旋翼無(wú)人直升機(jī)魯棒飛行控制[J]．機(jī)器人，2012，34(5)：519-524．

DesignoftheFour-rotorAircraftExperimentalPlatform

XUJie，QIHongyan

(School of Electronic and Information Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022， China)

In order to train applied innovative talents， an experiment platform for four-rotor aircraft is designed. The experiment platform adopts the modular design. STM32F103 is used as control chip， attitude of the aircraft is measured with MPU6050， position of the aircraft is measured by GPS， and a cascade PID controller is designed in the experimental platform. The designed controller can meet the requirements through Matlab/Simulink simulation. Experimental platform application range is very wide， different professional and different grade students carry on the verification of theoretical knowledge and the design of the system by using the platform， good teaching effect is obtained. Modular design is convenient for students to expand design. Practice proves that the four-rotor aircraft experiment platform can cultivate students’ innovative thinking and innovative ability.

four-rotor aircraft； experimental platform； PID control

TP 273

A

1006-7167(2017)09-0063-03

2016-12-26

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2014010991)；黑龍江省教育廳規(guī)劃課題資助項(xiàng)目(GJC1215122)

徐 杰(1964-)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，主要從事圖像處理和智能控制方面的研究。Tel.：18045017067；E-mail：xujie640101@163.com