四軸飛行器系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李瑞平++杜華巍

【摘 要】近些年來智能硬件蓬勃發(fā)展，而作為智能硬件中一顆耀眼的明星，四軸飛行器也越來越貼近我們的生活。伴隨著電子科技的進(jìn)步和自動化控制理論的完善，四軸飛行器所具有的功能越來越多，也越來越多的能承擔(dān)人類賦予它的任務(wù)。最開始的四軸飛行器誕生于1907年的法國，是Breguet兄弟制造的。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，當(dāng)時(shí)的四軸飛行器無法克服操作復(fù)雜度高，系統(tǒng)魯棒性極差等缺點(diǎn)，在誕生的上個(gè)世紀(jì)一直沒有得到很好的發(fā)展。但如今隨著卡爾曼濾波算法提出，高精度的陀螺儀和高性能的主控芯片的問世。使得四軸飛行器無論在控制復(fù)雜度、可靠性和生產(chǎn)成本上都有很大的改善。為其大規(guī)模生產(chǎn)及投入使用提供了可能。本文主要介紹了利用STM32作為主控芯片，陀螺儀MPU6050為主要測量部件。設(shè)計(jì)一架四軸飛行器的過程。本文主要從各部件的特性，實(shí)現(xiàn)原理，算法控制等方面講解了從建模到設(shè)計(jì)一架四軸飛行器這一過程。

【關(guān)鍵詞】STM32；MPU6050；陀螺儀；算法

0 前言

作為飛機(jī)的一種，四軸飛行器因?yàn)樗乃慕怯兴膫€(gè)對稱的螺旋翼而得此名。四軸飛行器的體積一般都比較小，所以它操作簡便而且靈活度高?？梢赃M(jìn)行垂直起降，俯仰運(yùn)動，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動，偏航運(yùn)動。除此之外高度可拓展性強(qiáng)價(jià)格便宜也是四軸飛行器的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)身上可以按照攝像頭，武器，等各種所需要的外設(shè)。

在實(shí)際應(yīng)用中，在軍事方面四軸飛行器可用于代替士兵進(jìn)行偵查探測、攻擊、警戒等任務(wù)。在工業(yè)方面四軸飛行器可以進(jìn)行航拍、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。在一些人難以到達(dá)的地方或危險(xiǎn)的地方代替人去執(zhí)行一些任務(wù)。在生活方面，民用的航拍四軸飛行器的出現(xiàn)讓我們多了一個(gè)視角看待我們的世界。

近些年來，隨著科技的發(fā)展，關(guān)于四軸飛行器的各種算法，理論都日趨完善。各種高性能的傳感器的出現(xiàn)也加速了四軸飛行器的發(fā)展。所以我們相信，四軸飛行器的研究將是一個(gè)廣闊的課題。而在在不就的將來，四軸飛行器將如其他日用電子產(chǎn)品一樣進(jìn)入我們的生活。四軸飛行器也將迎來一個(gè)更高速發(fā)展的時(shí)代。

1 四軸飛行器的簡介

2005年第一架四軸飛行器誕生至今已有十余年，這幾年隨著各類技術(shù)的進(jìn)步，與所有熱門的技術(shù)一樣，四軸飛行器已經(jīng)成功吸引到了許多科學(xué)愛好者和科技公司的注意力。這一點(diǎn)從京東用四軸飛行器為客戶投遞包裹的舉動就可見一斑。故筆者認(rèn)為，作為現(xiàn)在最炙手可熱的智能硬件之一，其在以下幾個(gè)領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。

一是，可作為新概念交通工具。早在第二次時(shí)間大戰(zhàn)期間，科學(xué)家就設(shè)計(jì)了用以載人的四軸飛行器的原型機(jī)，但因?yàn)閼T性測量單元太大飛行器不穩(wěn)定等原因無法做到精確控制故而無法投入實(shí)際應(yīng)用。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，今天以上所有問題都已解決。現(xiàn)在的四軸飛行器可以在高度密集的城市中以其靈活的姿態(tài)自由穿梭。

二是，作用于安保領(lǐng)域，現(xiàn)在我們常聽到監(jiān)控死角一詞，那是因?yàn)楝F(xiàn)在的監(jiān)控?cái)z像頭一般都是固定在建筑物上，所以在一定程度上會存在監(jiān)控死角。但如果用四軸飛行器來進(jìn)行監(jiān)控追蹤則完全可以避免這個(gè)問題。而且它還能順帶改善監(jiān)控碎片化帶來的監(jiān)控不流暢等問題，大大加強(qiáng)了監(jiān)控的能力與效率。

三是，作用于軍事與搜救領(lǐng)域，現(xiàn)在美國的部隊(duì)已經(jīng)開始在使用了，他們在美軍在中東地區(qū)的作戰(zhàn)行動中發(fā)揮了巨大的作用。他們的輕便性靈活性是對美軍的大規(guī)模重武器的一個(gè)很好的補(bǔ)充。

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

我們使用的慣性測量模塊是MPU6050，在飛行器工作時(shí)MPU6050可以不斷收集三個(gè)軸線（X 軸 Y軸 Z軸）的加速度和它們的角速度。在收集后MPU6050利用串口與我們的主控芯片STM32進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32。主控芯片在接收到數(shù)據(jù)后用PID算法進(jìn)行處理。處理完成后把數(shù)據(jù)分別傳給四軸飛行器四個(gè)無刷電調(diào)，從而控制每一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。除此之外我們還利用外部中斷接受來自地面遙控器的信號，主控芯片在接收到相應(yīng)的信號后結(jié)合慣性測量模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，對無刷電調(diào)發(fā)出指令改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使得四周飛行器在動態(tài)平衡中改變運(yùn)動方向和運(yùn)動姿態(tài)。

2.2 整體設(shè)計(jì)框圖

3 部分元器件簡介

3.1無刷電機(jī)

普通直流電機(jī)因?yàn)槠渥陨硐拗疲珩R力不夠、自重太大、壽命短、效率低等原因，難以為四軸飛行器提供穩(wěn)定的動力。所以我們使用專業(yè)的三相交流無刷電機(jī)。無刷直流電機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其主要由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成。但直接使用無刷電機(jī)無法對電機(jī)實(shí)時(shí)精確的控制，所以我們還使用了無刷電調(diào)配合使用。以便讓我們可以對飛行器實(shí)現(xiàn)高精度的控制。

無刷電機(jī)的單位為KV值，該單位的意思是電壓每增加一伏特時(shí)轉(zhuǎn)速所增加的值。因此從這個(gè)單位我們便知，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比關(guān)系。無刷電機(jī)的這一特性為我們控制電機(jī)提供了極大的便利。

3.2 無刷電調(diào)

隨著無刷電機(jī)的大力發(fā)展，無刷電調(diào)也開始慢慢占據(jù)了市場的主流。市場上有很多個(gè)無刷電子調(diào)速器品牌。但這并不意味著無刷電機(jī)可以和無刷電調(diào)任意匹配，無刷電機(jī)與無刷電調(diào)的匹配主要是看功率這個(gè)參數(shù)。如果使用的無刷電調(diào)功率太低，則有可能燒毀無刷電調(diào)的功率管，對無刷電調(diào)造成不可逆的損害。除此之外在選擇無刷電調(diào)時(shí)電調(diào)與電機(jī)的兼容度也很重要。

我們使用無刷電調(diào)主要是兩個(gè)作用。

其一是電調(diào)相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，用PWM控制無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

其二是把電池供給的直流電變成無刷電機(jī)所需要的三相交流電。

3.3 電池

電池作為整個(gè)系統(tǒng)的能量提供者，其對系統(tǒng)的重要性不言而喻。所以選擇一款合適的電池至關(guān)重要。故綜合放電能力到續(xù)航能力到性價(jià)比到安全性能等各方面的考慮，我們選擇了大容量的鋰聚合物電池。其電容容量為2200mah，輸出電壓為11.1V。

此外電池在使用時(shí)要注意其正負(fù)極，放電充電時(shí)也要主要時(shí)間，不要過充或過放.

3.4 機(jī)架

我們選擇在專業(yè)賣航模的店買一個(gè)符合我們尺寸的機(jī)架，買回來后再經(jīng)過我們自己的設(shè)計(jì)，加工成我們想要的樣子。

3.5 慣性測量單元

慣性測量單元對于整個(gè)四軸飛行器的重要性就像人眼對于人一樣重要，在四軸飛行器飛行時(shí)慣性測量單元不斷感知四軸飛行器的位置姿態(tài)，并把這些信息發(fā)送給四軸飛行器的大腦（STM32）進(jìn)行處理。

我們所選擇的慣性測量單元是MPU6050，這是現(xiàn)在市面上很常見的一種姿態(tài)傳感器，其內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀。

3.6 主控芯片

主控芯片是這塊飛行器的大腦，所以選擇一款合適的主控芯片至關(guān)重要。在我們這款四軸飛行器中我們選擇的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F4。作為一種較高級的單片機(jī)，STM32F4具有價(jià)格適中、速度快、時(shí)鐘選擇豐富、中斷接口多等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，作為一款常用的芯片，STM32F4擁有豐富的資源可供我們參考，可降低我們的開發(fā)難度。

除了性能和性價(jià)比的優(yōu)勢外，我們選擇這款芯片的另外一個(gè)原因在于其豐富的資料。四軸飛行器從誕生到現(xiàn)在也沒有太久，所以并不是任何一款主控芯片都有設(shè)計(jì)制作四軸飛行器的豐富資料。而我們選擇的STM32F4在這方面稍占優(yōu)。其資料相對于其他芯片更為豐富。

3.7 無線通信模塊設(shè)計(jì)

一般而言四軸飛行器需要在我們的控制下才能夠完成正常的飛行任務(wù)，所以飛行器在飛行時(shí)得進(jìn)行人機(jī)通信。

我們選擇NRF24l01作為我們的無線通信模塊。作為NORDIC公司生產(chǎn)的工作于2.4GHz-2.5GHz的ISM頻段的一款單片無線收發(fā)器芯片。由NRF24l01芯片為核心制作的NRF24l01無線通信模塊具有體積小、耗電小、價(jià)格適中、功率大、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。且其信號穩(wěn)定，很適合作為四軸飛行器的無線通信模塊。

4 算法簡介

4.1 PID算法簡介

PID是比例，積分，微分的英文單詞的首字母的簡稱，它以其靈活性、簡便性等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)控制領(lǐng)域最常用的算法之一。PID算法的作用在于對飛行器的姿態(tài)進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的動態(tài)的調(diào)整。如我們所知，飛機(jī)在空中飛行時(shí)不是只有一個(gè)固定的姿態(tài)，它的姿態(tài)會隨著飛行任務(wù)的改變而要發(fā)生實(shí)時(shí)的改變。這就好比一個(gè)人在騎單車，車子一旦動起來了就進(jìn)入一個(gè)動態(tài)調(diào)平衡的過程了。

PID算法就是一個(gè)可以為飛行器進(jìn)行動態(tài)平衡調(diào)整的算法。

4.2 PID算法內(nèi)容

比例（Proportion）P控制，在使用了PID算法的自動控制系統(tǒng)中，如果其輸出與輸入偏差存在成正比例關(guān)系，那么就可得知該系統(tǒng)使用了比例控制。比例控制算法是PID算法中最簡單的一種算法。如果系統(tǒng)中只使用了比例控制，那么該系統(tǒng)的輸出就有可能出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。這樣的系統(tǒng)我們稱呼其為有差系統(tǒng)，否則為無差系統(tǒng)。

積分（Integral）I控制：就是把輸入誤差以時(shí)間為變量做積分運(yùn)算。

在只有比例控制的系統(tǒng)中，會有很大的幾率出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)橹挥斜壤`差的系統(tǒng)是無法改變每一步調(diào)節(jié)的步幅，從而使得系統(tǒng)無法進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)。故而系統(tǒng)會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，使得系統(tǒng)無法達(dá)到動態(tài)平衡。

而為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，我們便引進(jìn)了積分項(xiàng)。他的值為輸入誤差在時(shí)間上的積分，所以跟著時(shí)間的增大，其積分項(xiàng)也會增大。如此一來就算輸入誤差非常小，只要時(shí)間足夠長，積分項(xiàng)的值也會是一個(gè)比較大的值，如此一來誤差便被放大觀察了。因此積分項(xiàng)的引入可以增加控制器的輸出從而達(dá)到使得穩(wěn)態(tài)誤差減小的目的，且其在動態(tài)調(diào)解中不斷減小穩(wěn)態(tài)誤差，理想情況下可以一直減小直到其等于零。

所以，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，我們在使用比例調(diào)節(jié)的情況下引進(jìn)了積分項(xiàng)。以使得系統(tǒng)能夠在動態(tài)中實(shí)現(xiàn)平衡。

微分（Derivative）D控制，控制器對輸入系統(tǒng)的輸入偏差進(jìn)行以時(shí)間為自變量的微分運(yùn)算

微分調(diào)節(jié)就是測量輸入偏差的變化率。例如，若是輸入偏差值發(fā)生了線性變化，那么控制器就會調(diào)節(jié)使得一個(gè)恒定的疊加量加于系統(tǒng)的輸出一側(cè)。他一般是作用于有時(shí)間滯后的系統(tǒng)，因?yàn)槿绻到y(tǒng)有時(shí)間滯后性的話，那只有提前調(diào)節(jié)系統(tǒng)，否則系統(tǒng)就無法達(dá)到動態(tài)平衡。而微分后的誤差，也就是他的斜率便是一個(gè)很好的預(yù)測的指標(biāo)。大部分控制系統(tǒng)不需要調(diào)節(jié)微分時(shí)間。一般而言只有時(shí)間會滯后的系統(tǒng)才需要用到該微分調(diào)節(jié)。如果我們在沒有時(shí)間滯后的系統(tǒng)中加入微分調(diào)節(jié)的話，整個(gè)系統(tǒng)的控制都有可能收到影響。

我們在使用PID算法對四軸飛行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)試，要先使其離散化。因?yàn)槲覀冇玫闹骺匦酒菙?shù)字芯片，其難以處理模擬信號。以下是模擬的PID算法

其離散化的公式可以表示如下

△u（k）= u（k）- u（k-1）

△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

其中公式中各個(gè)變量的含義如下

u（t） 控制器的輸出值。

e（t） 控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

Kp 比例系數(shù)。

Ti 積分時(shí)間常數(shù)。

Td 微分時(shí)間常數(shù)。（有的地方用"Kd"表示）

在四軸飛行器開始工作的時(shí)候，首先我們從慣性測量單元中讀取出當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)。而后把這些數(shù)據(jù)傳輸給MCU經(jīng)過PID算法處理。最后再把經(jīng)過MCU計(jì)算過的數(shù)值傳送給各個(gè)無刷電調(diào)，繼而控制無刷電機(jī)以達(dá)到控制四軸飛行器姿態(tài)的目的。

5 結(jié)束語

隨著科技的發(fā)展，社會的進(jìn)步，未來的生活中會充滿這智能化的產(chǎn)品，四軸飛行器將會在未來扮演著重要的角色。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]