四旋翼自主飛行器

洪淼淼

摘 要：四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)越的飛行器，具有操作靈活，帶負載能力強等特點，已經(jīng)被很多的科研人員所重視，在軍用和民用的范圍都會有很大的發(fā)展。四旋翼自主飛行器是一種四個螺旋槳與四個電調(diào)聯(lián)合搭配，實現(xiàn)無人操作按要求飛行的設計。本系統(tǒng)由飛行控制器模塊、電機模塊、姿態(tài)采集模塊、超聲波測高模塊、電源模塊組成，采用經(jīng)典PID控制作為控制算法，完成不同的運動狀態(tài)，比如：上升、降落、懸停、偏航、滾轉(zhuǎn)、俯仰等運動。通過仿真實驗結(jié)果顯示，PID控制方法能夠有效地使飛行器姿態(tài)角與高度達我們想要目標值，得到了穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;PID控制

1前言

四旋翼飛行器機械結(jié)構(gòu)較為簡單且飛行的機動能力靈活，可以在小的區(qū)域內(nèi)起飛，偵察，降落。四旋翼飛行器的研究價值主要在于其自主飛行的技術(shù)，對于四旋翼飛行器應用領域的特殊性，其準確度、高效性以及靈活的偵查能力得到了充分的運用，使四旋翼飛行器在世界上引起了研究熱潮。

2系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由飛行控制器模塊、電機模塊、姿態(tài)采集模塊、超聲波測高模塊、電源模塊等組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

2.1電機模塊的選擇

選擇直流無刷電機。直流無刷電機能量密度高、力矩大、重量輕，采用非接觸式的電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了直流有刷電機的缺點，適用于對功率重量比敏感的用途，同時增強了電機的可靠性。并且直流無刷電機選用高性能的磁性材料，相較傳統(tǒng)交流產(chǎn)品在效率方面提高30%～50%，節(jié)能環(huán)保;產(chǎn)品不需要變頻裝置就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速0～3000RPM范圍內(nèi)的調(diào)整，可以實現(xiàn)無極調(diào)速，控制簡單，并且能將運作的實時轉(zhuǎn)速以脈沖的形式通過反饋線傳出，安裝尺寸產(chǎn)品性能均較好。

2.1姿態(tài)采集模塊的選擇

MPU6050三軸陀螺儀。MPU6050三軸陀螺儀就是可以在同一時間內(nèi)測量六個不同方向的加速、移動軌跡以及位置的測量裝置。單軸的話，就只可以測定一個方向的量，那么一個三軸陀螺就可以代替三個單軸陀螺。它現(xiàn)在已經(jīng)成為激光陀螺的發(fā)展趨向，具有可靠性很好、結(jié)構(gòu)簡單不復雜、重量很輕和體積很小等優(yōu)點。

2.3電源模塊的選擇

3S鋰電池。3S鋰電池能量比較高，使用壽命長，有可以使用10，000次的記錄，具備高功率承受力，自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，重量輕，高低溫適應性強，可以在-20℃～60℃的環(huán)境下使用，綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質(zhì)。

2.4控制系統(tǒng)的選擇

R5F100LEA。采用瑞薩公司所生產(chǎn)的R5F100LEA單片機為主控芯片，單片機算數(shù)運算能力強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且此芯片功耗低，體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其運用靈活方便。

3系統(tǒng)理論分析與計算

3.1飛行模式的分析

四旋翼飛行器是一種固定連接在剛性十字交叉結(jié)構(gòu)上的4個電機驅(qū)動的一種飛行器。飛行器動作依靠4個電機的轉(zhuǎn)速差進行控制，其機械結(jié)構(gòu)相對簡單，可由電機直接驅(qū)動，無需復雜的傳動裝置。四旋翼飛行器有十字模式布置方式和X模式布置方式。由于X模式布置方式動作靈活，所以使用X模式布置方式。

3.2飛行姿態(tài)的分析

姿態(tài)，是用來描述一個剛體的剛體坐標系和參考坐標系之間的角度位置關(guān)系。一般用三個姿態(tài)角表示：偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角。

圖1四旋翼飛行器的坐標系

偏航角：需要將機體坐標系中的投影到地面坐標系平面上的線與的夾角。

俯仰角：機體坐標系中的與地面坐標系平面的夾角。

滾轉(zhuǎn)角：機體坐標系中的軸與地面坐標系平面的夾角。

4系統(tǒng)設計與測試

4.1系統(tǒng)設計

研究飛行控制系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)，采用了模塊化的設計方法來對軟件控制系統(tǒng)進行設計，模塊化設計的優(yōu)點是能夠簡化軟件設計的復雜度，并且對程序的調(diào)試等也是很方便的。整個軟件的設計包括：數(shù)據(jù)采集模塊，中央控制模塊，電機控制模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，數(shù)據(jù)仿真模塊。飛行器控制系統(tǒng)的工作原理是把四旋翼飛行器在當前所得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)與其給予的數(shù)據(jù)進行做差運算，再通過控制算法來進行對姿態(tài)誤差信號的分析與處理，接著其主控芯片就通過電子調(diào)速器將其得到的調(diào)整信號傳遞給電機，我們通過改變四個電機的旋轉(zhuǎn)速度來對四個旋翼的受力進行調(diào)整，進而達到對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。當前的姿態(tài)調(diào)整完成之后，馬上會產(chǎn)生新的姿態(tài)，這時姿態(tài)檢測系統(tǒng)就會重新檢測調(diào)整飛行的姿態(tài)，將所測到的數(shù)據(jù)傳送到主控芯片中，從而形成閉環(huán)回路控制。

4.2硬件測試

首先，先把四軸飛行器分塊拆解，用最小的最輕的元件和電路板按照配重的需要安裝在四軸飛行器上，并安裝上保護圈。再用物理方法測量重心，使其重心維持在四軸飛行器的中心。通過電源對做好的電壓轉(zhuǎn)換器進行測試，使其穩(wěn)定在單片機的工作范圍，盡量使其保持穩(wěn)定。

5結(jié)語

在對四軸飛行器試飛的過程中，雖然能夠很好地飛行，但也有些不足之處需要改善，主要有：由于電機和機架的震動，加速度計對姿態(tài)的估計干擾無法消除，四軸飛行器也會往一邊偏移運動。定高控制的積分限幅對實際飛行的高度影響很大。四軸飛行器的穩(wěn)定飛行對四個電機或電調(diào)性能的一致性要求較高。

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