小型四旋翼飛行器控制系統的研究

薛榮輝

（西安航空學院 電子工程學院，陜西 西安 710077）

0 引 言

四旋翼飛行器作為一種垂直起降飛機，具有獨特的優點，操作靈活、結構簡單、載重能力強，在軍事、民用方面都發揮了極大的作用。其具體應用特點可以歸納為如下5個方面：（1）空間狹窄或體積較小不方便人活動的地方；（2）可以與電子產品組合；（3）危險場所；（4）適合長時間工作；（5）結構簡單，成本低[1-2]。

具有自主控制的四旋翼飛行器由于飛行器的設計需要多個領域共同完成，涉及到多個學科相交叉，所以對知識的應用和處理的要求也就更高，制約了飛行器的發展。本設計飛控原理主要通過STM32采集傳感器和陀螺儀實時檢測信號，通過陀螺儀來獲取當前的飛行姿態，實時信號與輸入信號作對比，再將數據傳輸到無線端驅動模塊驅動飛控板進行通信，實現飛行器的起飛、轉向、懸停、降落等控制[3]。

1 四旋翼總體設計

設計主要包括遙控板和飛控板的硬件設計和軟件控制設計。遙控板采用四相遙感，左手控制油門，右手控制飛行方向。遙控板上安裝了無線傳輸模塊，可以將STM32的指令通過其傳達給飛控板，從而實現飛行器的控制。飛控板由無線模塊、藍牙模塊、MPU6050傳感器模塊等組成，無線模塊進行數據的接收和發送，傳感器進行飛行器自身姿態的實時結算，再驅動四旋翼上的四個720空心杯使其進行旋轉，帶動整個飛行器的飛行。四旋翼飛行器系統的遙控端和飛控段的主控制器均為STM32F103，通過程序的設定使得ADC的外設采集數據，然后把采集到的數據通過2.4G無線通信模塊發送至飛控板。飛控板的主要任務就是通過STM32控制外設通過ADC采集數據，然后通過無線模塊將數據傳送到飛控板中，再由MPU6050傳感器檢測到飛行器當前的飛行姿態，并且解算出當前的系統姿態，接著根據遙控板發送的目標姿態和當時的姿態差計算出PID電機增量，此處是一個反饋操作，最后驅動電機控制飛行器。飛控板設計流程如圖1所示，遙控板設計流程如圖2所示。

2 四軸飛行器運動控制系統的基本工作原理

飛行器的運動是由4個旋槳轉動實現槳葉的排列（見圖3），同一軸1、3電機運動方向，2、4電機運動方向要一致，兩組電機旋轉方向必須相反，氣流平穩不會使飛機傾斜。通過左手遙控油門的大小從而控制飛行器的飛行高度。要實現飛行器的動作，必須通過4個電機的控制信號驅動電機配合轉動完成。

3 處理器選型及控制算法

本文采用STM32F103增強型處理器[4-6]。STM32具有價錢低、功能強大、容易上手等優點。控制采用PID算法，P代表比例環節，I代表積分環節，D代表微分環節。圖4為PID設計框圖。

通過PID控制器實現無人機運動，本次設計分別建立俯仰、翻轉、偏航通道的傳遞函數，通過PID控制器降低無人機系統的穩態誤差。

4 結 論

本文主要介紹四旋翼無人機的構成及控制，控制選用STM32F103控制器。通過4個傳感器檢測飛行器葉片的位置，與遙控器輸入信號對比，從而實現飛行器的控制。

圖1 飛控板軟件程序設計流程圖

圖2 遙控板軟件程序設計流程圖

圖3 四旋翼的六種運動

圖4 PID的模擬控制系統原理框圖