基于Esp32的四旋翼無人機系統(tǒng)及其基本控制

張道宏 鐵振弘

摘要：本系統(tǒng)基于Esp32控制器，使用4個820空心杯電機，制作小型四旋翼無人機，能實現(xiàn)空中自平衡，紅外自避障，并簡要介紹了四旋翼無人機在6個自由度上的控制方法及原理。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機;嵌入式應(yīng)用;ESP32

中圖分類號：TN929.54

引言

無人機就是利用無線遙控或程序控制來執(zhí)行特定的航空任務(wù)的飛行器，普遍運用在當(dāng)代工業(yè)，軍事上。無人機采用空氣動力為飛行器提供所需的升力，特別的，四旋翼無人機采用四個螺旋槳，通過控制不同螺旋槳電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無人機在三維中的移動，旋轉(zhuǎn)。

雖然無人機的定點作業(yè)目標(biāo)一般不會非常復(fù)雜，但是在高空中，無人機作業(yè)的不可控因素過大，比如說由于氣壓的不穩(wěn)定，無人機的四旋翼即使在相同的轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生的力也可能不同，或者由于在高空，無人機將收到完全不可控的來自于各個方向上的風(fēng)阻。再者，無人機的硬件磨損等將使得四旋翼的電壓無法達到預(yù)期電壓，即四旋翼的轉(zhuǎn)速控制可能產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。因此即使訓(xùn)練有素的無人機操控者也無法在高空中穩(wěn)定地操控?zé)o人機作業(yè)。

因此，本文介紹了一種基于Esp32的四旋翼無人機的實現(xiàn)方式，能夠使用無線遙控控制無人機的移動，對外界的不可控干擾可以自發(fā)地調(diào)整四旋翼電機快速對干擾做出反應(yīng)，在風(fēng)較小的環(huán)境下實現(xiàn)自平衡，并通過紅外測距實現(xiàn)自避障。

1.無人機構(gòu)造

本系統(tǒng)無人機采用四旋翼結(jié)構(gòu)，主控板集成Esp32，驅(qū)動，陀螺儀，紅外測距，放置在整個無人機的重心處，四個空心杯電機對稱分布在無人機的四周，空心杯電機上方裝有小型螺旋槳，提供升力。

1.1 Esp32主控制器

ESP32 是由樂鑫公司推出的一款采用高性能 Xtensa? 32 位 LX6 雙核處理器的微控制器，集成了天線開關(guān)、射頻 balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊，整個解決方案占用了最少的印刷電路板面積。2.4 GHz Wi-Fi 加藍牙雙模芯片采用 TSMC 低功耗 40nm 技術(shù)，具有最佳的功耗性能、射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，適用于各種應(yīng)用場景和不同功耗需求。

1.2無人機電源

無人機對各模塊重量有著較高的要求，過重的電池會導(dǎo)致無人機難以平衡，因此市面上的無人機一般都采用鋰聚合物電池，相對普通電池來說，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以做成各式各樣的小型電池，較適合于無人機的使用。

1.3陀螺儀

無人機的平衡，移動，升降都離不開陀螺儀提供的三軸角度，因此選擇一個合適的陀螺儀是無人機研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用Mpu6050陀螺儀芯片，其能輸出三軸角速度及角加速度，并自帶旋轉(zhuǎn)矩陣，四元數(shù)，歐拉角格式的融合演算。

1.4電機驅(qū)動

本系統(tǒng)采用4個820空心杯電機控制螺旋槳旋轉(zhuǎn)。采用L9110S芯片驅(qū)動，L9110S是一款低成本直流電機驅(qū)動集成電路，廣泛應(yīng)用于玩具汽車無人機的電機驅(qū)動。本系統(tǒng)使用ESP32輸出pwm信號至L9110S，驅(qū)動空心杯電機，其電路如下：

1.5無人機外形

無人機在空中移動過程中，受到的主要阻力即為不可控分風(fēng)阻，為了使無人機的所受的阻力盡可能地小、均勻，應(yīng)當(dāng)將無人機的外殼設(shè)計為流線型，本設(shè)計PCB板即為流線型的設(shè)計。使用四個等半徑的圓弧，與四個等徑圓交織形成流線型中心對稱的無人機板。

2.無人機的基本控制

無人機的基本控制主要分為：上升下降，自轉(zhuǎn)，前后運動，側(cè)向運動。

1.上升下降

無人機在豎直方向上主要受到兩個力，分別為無人機機身的重力G以及四個螺旋槳提供的升力F。當(dāng)F=G時，無人機的高度將保持不變;當(dāng)F>G時，無人機逐漸升高;而當(dāng)F<G時，無人機逐漸下降，其升高或下降的速度及加速度滿足以下公式：

其中v為升高或下降的速度，a為加速度，v為豎直方向上的初始速度，當(dāng)無人機的豎直方向上靜止時，v0=0。但在無人機中，無法直接測得無人機所提供的升力以及無人機的所受的重力，因此一般采用PID控制使得無人機達到目標(biāo)高度。具體控制如下：

規(guī)定以下符號：

高度計測得當(dāng)前高度ht，

無人機的新期望高度h1，

四個空心杯的初始電壓v0，

四個空心杯的當(dāng)前電壓vt，

無人機的上升下降速度S。

在每一個時刻，令高度差值dh=h1-ht。通過單片機控制vt=v0+S*dh。當(dāng)dh較大時，四個空心杯的電壓較高，轉(zhuǎn)速較快，無人機的上升速度較快，而當(dāng)無人機接近目標(biāo)高度時，dh較小，無人機停止上升，最終停留在目標(biāo)高度，實現(xiàn)無人機對目標(biāo)高度的控制。在實際運用中，一般采用PID的控制方式使得目標(biāo)控制更加平滑，高效。在該控制目標(biāo)中，采用位置式PID，輸入量為ht-h1，輸出量為電壓增量dv，其與vt的關(guān)系應(yīng)當(dāng)滿足vt=v0+dv。

2.自轉(zhuǎn)

為了保證四懸翼飛行器偏航角的穩(wěn)定，飛控模塊會調(diào)整四個電機的速度來保證這兩個旋轉(zhuǎn)力矩可以被互相抵消進而保證飛機不會自旋，因此，如果想讓無人機自轉(zhuǎn)的話，主要打破這個平衡即可，即按照圖中的旋轉(zhuǎn)方向，增加 1 4 的轉(zhuǎn)速，減少 2 3 的轉(zhuǎn)速可以在保證姿態(tài)穩(wěn)定的條件下將飛機逆時針轉(zhuǎn)動;減少 1 4 的轉(zhuǎn)速，增加 2 3 的轉(zhuǎn)速可以在保證姿態(tài)穩(wěn)定的條件下將飛機順時針轉(zhuǎn)動。

3.前后運動及左右運動

為了使無人機產(chǎn)生在14方向上的扭矩，則應(yīng)該令電機1加速，電機4減速，電機2、3保持不變，使得無人機產(chǎn)生一定的傾斜，無人機就會得到水平方向上的力，即可朝著14方向移動。相反，加速電機4，減速電機1，其余兩電機保持不變即可朝著41方向移動。左右運動同理。

在各個控制方向上，使用并級PID控制連接，則能協(xié)調(diào)各個無人機的參數(shù)，使其同時達到平衡，并完成特定的移動目標(biāo)，即完成移動控制。

3.無人機的校準(zhǔn)與自平衡

3.1無人機的校準(zhǔn)

無人機的校準(zhǔn)是無人機保持平衡的關(guān)鍵步驟之一。無人機在空中保持平衡主要依賴于陀螺儀的x，y，z軸三軸偏向角，因此需要取陀螺儀零位角作為基準(zhǔn)角。具體方式為，將無人機放在水平的地面上，按下校準(zhǔn)鍵，主控單片機將此時的陀螺儀的三軸角度保存為基準(zhǔn)角（P0，Y0，R0）。當(dāng)無人機起飛后，對當(dāng)前時刻的三軸角（Pt，Yt，Rt）與基準(zhǔn)角做差即可得到在三個方向上角度的期望改變量（Pd，Yd，Rd）。

3.2不可控誤差的消除

無人機在飛行過程中，受到風(fēng)阻，壓強，機身不平衡，電壓不穩(wěn)定等繁多的不可控因素。因此，在無人機控制算法中，需要包含一定的控制算法以消除這些不可控因素。本研究擬針對誤差的不同種類型，采用不同的消除誤差方式，具體如下：

參數(shù)采樣誤差：

無人機在采集自身參數(shù)時，由于電壓的不穩(wěn)定，模塊的精準(zhǔn)度有一定的局限性，無法使得獲得的參數(shù)達到完全的精準(zhǔn)。因此，對于參數(shù)的采樣誤差，擬采用卡爾曼濾波，對參數(shù)的采樣進行濾波，提高獲取參數(shù)值的可靠性及穩(wěn)定性。

風(fēng)阻誤差：

無人機在高空飛行中，所面臨的風(fēng)阻可能來源于各個方向，并且強度未知。轉(zhuǎn)換為物理模型即可以理解為無人機將收到來自于隨機方向上，且強度不定的力。為了消除這種力，首先我們對該力進行分析，并命名為f。f的大小總體將滿足高斯分布，方向完全隨機。因此在計算受力分析時，應(yīng)該同時包含f的受力。

在每一個時間周期后，無人機將返回自身的位置參數(shù)，同時計算出無人機當(dāng)前的位置參數(shù)與上一個時刻的期望位置參數(shù)的差值。而此刻造成該誤差的原因即為不可控因素所造成的誤差，此時即可定性分析不可控誤差所造成的影響，并在下一個時刻嘗試抵消該不可控誤差，并在下一個時刻更新不可控誤差的分析，如此反復(fù)即可最終實現(xiàn)盡可能的消除無人機所受的不可控誤差。

3.3紅外測距自動避障

無人機板載四個紅外測距，朝向四個無人機方向，時刻檢測無人機的各方向上是否有障礙物。具體擺放方式如下：

當(dāng)無人機在某個方向上的障礙物距離小于特定值a時，緊急停止無人機在該方向上的移動，并反饋在飛控系統(tǒng)當(dāng)中。必要時應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生在相反反向上的移動目標(biāo)，以實現(xiàn)四旋翼無人機的紅外自動避障系統(tǒng)。

4.結(jié)語

四旋翼無人機主要通過改變4個電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，控制螺旋槳的升力以實現(xiàn)對無人機的垂直起降，自由懸停，自轉(zhuǎn)，前后左右移動的六個自由度上的移動控制。這些優(yōu)勢決定了他是一種軍民兩用的高科技設(shè)備，從當(dāng)前國內(nèi)外的諸多領(lǐng)域中可以了解到，四旋翼無人機當(dāng)前已經(jīng)能夠完成各種各樣復(fù)雜及危險的任務(wù)，實踐價值較高。