炫舞四翼飛行器控制系統的設計與制作

陳花衛

隨著科技研發的迅速發展，對于微型四翼飛行器研制的技術門檻和硬件成本已經大幅度降低，現如今不管是國內還是國外的各大科研單位和高校的四翼飛行器愛好者都已經投入對四翼飛行器的研制當中。本文主要對炫舞四翼飛行器控制系統進行了研究設計。

【關鍵詞】四元法 MPU6050 PWM PID控制算法

1 炫舞四翼飛行器的結構及控制原理

炫舞四翼飛行器的飛行控制系統主要由：驅動電機、被控對象（機體）、飛行控制器、傳感器裝置等組成；如圖1所示；傳感器就是將炫舞四翼上電機裝置中的三軸角速度速率以及三軸加速度速率的各種信息；如傾斜角、俯仰角、偏航角等；傳感器將其物理然后飛行控制其將處理的結果與預先設定的穩定飛行信息進行處理及計算，最后通過PWM占空比來調節電機的轉速控制炫舞四翼的飛行狀態。

炫舞四翼飛行器的結構原理如圖2所示，電機 m1和電機m3為一組， m2與 m4為另一組，這兩組電機為四旋翼提供飛行的動力；其為對稱的十字形模型，我們只要控制這兩對電機的旋轉方向不同，轉速相同；這樣電機帶動旋翼生成的扭矩力之間就會因為大小相等，方向互反，從而作用效果相互抵消；通過旋翼旋轉產生的升力的作用下做各種運動，為滿足相應的運動的變化，使升力在相應方向上產生分力，炫舞四翼飛行器在此力的作用下，按其方向飛行。炫舞四翼飛行器只有4個輸入，卻有6個輸出，所以說它是一個欠驅動系統；因此我們需要一個6對4的調節，所以在后期選擇電機的時候選了MPU6050，它集成了三軸加速度計與三軸陀螺儀，這樣對于我們的測量和控制得以很大的幫助；相對直升機而言，炫舞四翼飛行器不需要舵機抵消反扭矩力，這也是它運動控制上的一大優點。

2 炫舞四翼飛行器控制系統的硬件設計

炫舞四翼飛行器控制系統主要包括：MCU最小系統模塊、電源模塊、飛行姿態檢測模塊、驅動電機模塊、遙控發送接收模塊5大模塊，如圖3所示。其中MCU最小系統模塊主要采用ARM Cortex?-M3內核低功耗的STM32F103RCT6作為主控芯片，STM32F103RCT6是一款32位的單片機，支持各種存儲設備，Flash是256k，擁有各種時鐘電路、定時器、看門狗等等；由于炫舞四翼飛行器是一個欠驅動系統，電機調速這塊必須選一個4個輸入，6個輸出的裝置，于是選擇了集成了3軸螺旋儀傳感器和3軸加速度計傳感器的MPU6050，測得飛行器在飛行過程中傾斜角的變化，對于飛行姿態的測量較快，從而加以控制到穩定。無刷電機不會出現點火花，電火花的出現將會使其誤差增大，因此我們采用PB2212 KV920 外轉子無刷電機。電機驅動模塊則是通過輸入PWM的占空比信號實現電機的調速及控制

3 炫舞四翼飛行器控制系統的軟件設計

炫舞四翼飛行器的軟件設系統首先是處理器對各模塊進行初始化，然后讓其按既定的飛行方案穩定飛行，由于炫舞四翼飛行器是一個欠驅動系統，被控量之間存在耦合關系，軟件系統設計必須要利用4個輸入被控量來控制6個輸出量。主體函數首先對各種結構進行了相應的初始化；然后將其檢測到的飛行姿態數據通過處理得到穩定的數據輸入主控，主控通過命令控制電機轉速的增大或者減小實現預想飛行。

4 調試及存在的問題

將各部分測試沒問題的代碼進行聯調，通過ST-LINK V2 ST下載到STM32主控板上進行測試，如圖4所示。結果發現飛行器的姿態的不好控制，整個系統還有待進一步改善。

參考文獻

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[3]趙銘明，謝葉，李夢柯，陳通，蔣麗紅.基于DSP的四旋翼無人飛行器控制系統[J].電子世界，2014（16）.

作者單位

銅仁學院大數據學院 貴州省銅仁市 554300endprint