羅莉 何學良 趙文樂 陳相余 黃嘉芯

（廣東第二師范學院物理與信息工程系 廣東省廣州市 510303）

隨著無刷電機、單片機控制技術的發展和傳感器技術的日益成熟，四旋翼飛行器逐漸趨向于小型化、智能化發展，可應用領域也越來越廣，并逐漸成為國內外研究人員的研究熱點。外觀結構看似簡單的四旋翼飛行器卻蘊含著多種技術難題，其關鍵技術和發展方向也得到了研究人員的廣泛關注，各種技術也逐漸被攻破。四旋翼飛行器也因其靈活性高、易操控等優勢，廣泛應用于環境監測、災難救援、快遞運輸、電力巡檢等多個領域，具有極高的研究價值，目前四旋翼飛行器技術朝著智能飛行、碰撞規避等方向發展，也將被投入到更廣泛的領域。

1 四旋翼飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器的結構如圖1 所示，包含有十字形支架、控制計算機、電機模組、旋翼等部分，其中十字形支架作為飛行器的整體支撐，四個旋翼分為兩組分布在支架的四端，相對的兩個電機為一組，同組電機轉動方向相同，兩組電機互為反方向轉動，此時旋翼旋轉時與空氣阻力產生的反作用力矩相互抵消，在控制計算機的控制下實現飛行器的平衡飛行。

飛行器通過電機帶動旋翼轉動來產生不同的升力和力矩，控制每個電機轉速可以實現飛行器姿態和位置的控制。從而實現飛行器的垂直運動、俯仰運動、橫滾運動和偏航運動。

（1）垂直運動：當飛行器在空中自穩飛行后，四個旋翼間產生的扭矩相互抵消，并且升力等于飛行器自身的重力，這時如果四個電機的轉速同時增加，旋翼產生的克服自身重力的升力增大，此時飛行器上升；同理，當轉速同時降低時，飛行器則垂直下降。因此通過同時增大或降低電機轉速可以實現飛行器的垂直運動。

圖1：四旋翼飛行器結構圖

圖2：硬件系統框圖

（2）俯仰運動和橫滾運動：當飛行器在空中自穩飛行后，在保持一組同方向電機轉速不變的情況下，另一組兩個電機通過調整旋翼轉速差,使扭矩失去平衡來實現運動。1、3 電機產生的升力差使機身繞 y 軸旋轉，實現飛行器的俯仰運動； 2、4 電機的升力差則使機身繞x 軸旋轉，實現飛行器的橫滾運動。

（3）偏航運動：當飛行器在空中自穩飛行后，當增大一組同方向電機轉速的同時，保持不變或降低另一組同方向電機的轉速，此時作用在機身上的扭矩無法抵消，扭矩平衡被打破，使飛行器繞 z 軸轉動，實現飛行器的偏航運動。當1、3 電機轉速增加或2、4電機轉速減小時，實現右偏航；反之，當2、4 電機轉速增加或1、3 電機轉速減小，實現左偏航。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路主要由主控制器、姿態信息采集模塊、電子調速器模塊、通信模塊、電源管理模塊構成，硬件系統設計框圖如圖2所示。主控制器通過姿態信息采集模塊獲取到加速度、陀螺儀、電子羅盤、氣壓等原始飛行數據，對其進行處理、計算后，結合遙控器發出的姿態控制要求，得到對應的控制信號，通過電子調速器改變電機的轉速，實現姿態控制的目的。

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊是整個飛行系統的核心部分，主要負責系統傳感器數據的采集、對飛行姿態進行解析、通過控制算法發出趨近目標姿態的控制指令等。本設計采用德州儀器公司的Tiva C 系列芯片TM4C123G 作為主控芯片，該芯片基于Cortex-M4F 內核，擁有80MНz 的主頻，具有高效的數據處理能力和浮點運算能力，提供豐富的可編程接口和通信接口，滿足系統設計的需求。

2.2 姿態信息采集模塊

姿態信息采集模塊作為飛行器的感知器官，由加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計等傳感器組成，發揮著實時監測飛行器姿態信息的作用。本設計采用了將加速度計、陀螺儀和磁力計結合在一起的9 軸傳感器MPU9250 和氣壓計BMP280 作為姿態信息采集模塊，其連接電路如圖3 所示。

使用9 軸傳感器MPU9250 可以達到簡化電路設計，減輕飛行器重量的目的，其內部由兩部分組成，一部分是3 軸加速度計和3軸陀螺儀，精度高達16 位數字輸出，可以進行精密的慢速或者快速運動跟蹤，另一部分是AKM 公司的3 軸磁力計AK8963，測量范圍為±4800uT,通過把得到的磁場變化數值與加速度值、陀螺儀的數值相結合，可以計算得到飛行器當前的俯仰角、偏航角和橫滾角，從而確定飛行器的姿態。MPU9250 與控制器使用I2C 進行連接，而氣壓傳感器利用MPU9250 的輔助I2C 接口與控制器進行通信，為飛行器提供氣壓高度數據。

2.3 電子調速器模塊

無刷電機具有轉速高、聲音小、壽命長和運行時無火花等優點，本系統選用無刷電機作為飛行器的動力來源，電機KV 值可以是1000 到2400 之間，由于控制器輸出的PWM 電壓最高不超過3.3V，無法提供足夠的能量驅動無刷電機，因此需要使用20A 的電子調速器，借助功率管驅動無刷電機，通過控制器輸出PWM 波形到電子調速器達到控制電機轉速的目的。

2.4 電源管理模塊

飛行器使用航模鋰電池提供能量來源，單節電池電壓為3.7V，通常會將多節電池串聯起來作為電池模組使用，為使本系統電池選用靈活和能適應更多的電池模組，本設計選用了TPS5430 芯片和MIC5219 芯片作為降壓、穩壓芯片，為系統提供5V 和3.3V 電壓，因此2-6 節鋰電池串聯的電池模組都能很好的適應本系統，其電路圖如圖4 所示。

3 軟件設計

飛行器的姿態包括開啟飛行器、起飛、降落、偏航等都可以由無線遙控器進行控制，系統啟動后，首先對系統的傳感器等部分進行初始化，自檢通過后，則采集當前的姿態數據，同時獲取遙控器發出的飛行信號，使用基于四元數和歐拉角的姿態解算以及互補濾波算法將傳感器數據解算成飛行器的姿態，使用PID 算法得到輸出姿態控制量，以PWM 波控制各電機的轉速，達到飛行器姿態控制的目的，程序流程圖如圖5 所示。

4 系統測試

系統設計兼容匿名科創地面站軟件，利用上位機軟件可以查看飛行器的姿態、顯示相關數據以及進行PID 調試，飛行器狀態的顯示包括有YAW（偏航角）、PITCН（俯仰角）和ROLL（翻滾角）、傳感器原始數據和電機輸出等信息，并可以讀取顯示當前的PID 參數，將修改設定好的PID 參數寫入到控制器中。通過系統測試，飛行器飛行效果良好，系統響應速度快，滿足飛行器一般的使用要求。

圖3：傳感器電路圖

圖4：電源電路圖

5 總結

本文主要闡述了一款基于TI 公司的TM4C123G 芯片的四旋翼飛行器控制系統，依據四軸飛行器的飛行原理，介紹了主要的硬件電路設計和對軟件流程設計進行了簡單介紹，通過測試證明，飛行器飛行效果良好，系統可靠性高，有一定的抗干擾能力，具有高性能、低功耗、處理速度快等特點。本控制系統能實現飛行器的基本功能外還預留了多個接口，可用于連接光流、視覺模塊、定位模塊等，使飛行器擁有更多額外的功能，這讓飛行器飛行更穩定的同時也讓設計變得更有趣。

圖5：程序流程圖