四軸飛行器控制系統的研究

王增彩 徐立 劉旗 周繼民 石業成 大連理工大學城市學院

引言

四軸飛行器與其他飛行器相比，其優點在于構造簡單、飛行靈活較傳統的直升機更容易接近任務目標；更重要的是，四軸飛行器的研究涉及到眾多領域的高、精、尖技術，如：空氣動力學、自動控制、自主導航、傳感技術等等；目前隨著傳感器技術和計算機技術的不斷發展，四軸飛行器也為這些領域提供了一個綜合的研究平臺。因此，無論是科學研究，還是綜合應用四軸飛行器的研究都有著極高的研究價值。

1 四軸飛行器的控制原理

圖1. 1四軸飛行器基本結構圖??

四軸飛行器屬于利用旋翼來提供上升力的飛行器的一種，擁有四個螺旋獎，這四個螺旋槳對稱的分布在四軸飛行器前、后、左、右的四個方位，其機械結構非常簡單，要控制四軸飛行器改變飛行的姿態，只需要調整兩對螺旋槳的轉速就可以了。

2 姿態表示及姿態解算

飛行器的姿態采用歐拉角表示方法，即為翻滾角ρ、傾仰角e和偏航角γ。歐拉角即飛行器機體對于機體坐標系的X、Y、Z軸的旋轉角度，分別用滾轉角、仰俯角和偏航角進行表示。根據歐拉旋轉定理，通過三次旋轉即可使得機體坐標系旋轉到與地理坐標系重合或者飛行器平衡姿態位置，三次坐標變換的旋轉矩陣的乘積即是歐拉角姿態矩陣。假設全局坐標系（地理坐標系）XY－Z固定于地面保持靜止，飛行器坐標系x－y－z初始時與全局坐標系重合。

為了得到當前飛行器的飛行姿態，在應用中，采用互補的方法對三個軸的數據分別進行融合，算法中，加速度和角速度測量的數據作為輸入；得到的輸出為相對于地球坐標的傾角和角速度。以得到正確的角度值，互補融合算法原理如圖1.2所示：??

圖2. 1融合算法

3 四軸飛行器的硬件電路設計

四軸飛行器的硬件電路設計主要包含：微控制模塊電路設計、傳感器模塊電路設計、藍牙模塊電路設計、電源模塊電路設計、電源電壓檢測模塊電路設計等。微控制器?用STM32F103C8T6芯片，傳感器模塊選用整合了三軸陀螺與三軸加速器的新型MEMS傳感器MPU6050，藍牙模塊選用了能夠與手機藍牙相連接的HC05芯片。電源模塊選用了一款性價比比較高的芯片SP6205。電源電壓檢測模塊則設計了一個ADC電路。

4 四軸飛行器軟件的設計?

遙控器是一種用來遠程控制某個裝置的器件。四軸飛行器的遙控器就是用來給四軸飛行器傳遞指令，指示四軸飛行器應該?取什么樣的動作的器件。四軸飛行器的遙控器使用手機來代替，所以本次設計借助了eclipse軟件對四軸飛行器的遙控APP的手機應用進行編寫，采用JAVA語言編程。APP界面上設有油門滑塊，偏航滑塊用來控制四軸飛行器螺旋獎轉速的快慢和偏航方向.

5 總結

本文主要介紹了飛行器完成的結果，已初步完成了基本的飛行動作，達到預期的標準；同時對系統中姿態解算算法進行了分析，另外文中還對系統的設計缺陷進行了分析，許多方面還有待進一步研究和改進。

[1]劉杰.四軸飛行器研究與設計［D］.南京:南京郵電大學，2013.

[2]聶博文.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術［A］.電光與控制，2007.

[3]楊慶華，宋召青.四旋翼飛行器的建模控制與仿真［J］.海軍工程學院學報，2009.??

[4]陳振興.基于STM32的微型四軸飛行器研究與設計［D］.河北工業大學碩士學位論文,2013.

[5]張浩.四旋翼飛行器航姿測量系統的數據融合方法［J］.兵工自動化，2013.