胡琴　施雅　陳嘉聰　邢洋

【摘 要】四旋翼飛行器是一種外形新穎，性能優(yōu)越的垂直起降飛行器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)，在災(zāi)區(qū)救援，軍事運(yùn)輸上有重要價(jià)值，越來越被人們所關(guān)注。本系統(tǒng)利用R5F100LEA單片機(jī)作為主控芯片，配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使其能穩(wěn)定懸停.同時(shí)采用攝像頭循黑線并檢測(cè)黑圓區(qū)域確定著陸位置，而超聲波測(cè)距模塊也保證了飛行器處于指定的高度。

【關(guān)鍵詞】四旋；飛行器；飛行姿態(tài)；控制

1.系統(tǒng)方案論證與比較

方案一：利用R5F100LEA單片機(jī)配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使其能穩(wěn)定懸停，同時(shí)采用攝像頭循黑線到達(dá)目的地。

方案二：通過MPU6050控制飛行器姿態(tài)，采用GPS定位，引導(dǎo)飛行器到達(dá)預(yù)定位置。

方案三：利用R5F100LEA單片機(jī)配合MPU6050陀螺儀控制控制飛行器姿態(tài)，使飛行器穩(wěn)定懸浮且無自轉(zhuǎn)，然后通過軟件調(diào)試飛行器走直線并通過延時(shí)程序控制飛行器降落。

方案一采用攝像頭循黑線，程序設(shè)計(jì)較復(fù)雜，但可行性高，且具有一定抗干擾能力；方案二中GPS信號(hào)受環(huán)境影響，定位精度差；方案三軟件調(diào)試任務(wù)大，且不具抗干擾能力，可行性差。綜合考慮，采用方案一。

2.方案設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢(shì)：各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對(duì)機(jī)身的反扭矩。

圖1 飛行器運(yùn)動(dòng)控制

3.電路與程序設(shè)計(jì)

3.1單元模塊

3.1.1飛行路線控制模塊

方案一：利用攝像頭對(duì)地面信息進(jìn)行采樣，采集黑線信息，通過攝像頭使單片機(jī)控制飛行器循黑線行進(jìn)。優(yōu)點(diǎn)是精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是控制較為復(fù)雜。

方案二：采用GPS定位系統(tǒng)確定起飛點(diǎn)A和著陸點(diǎn)B，引導(dǎo)飛行器從起飛點(diǎn)A任意路徑到達(dá)著陸點(diǎn)B。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，缺點(diǎn)是室內(nèi)GPS定位精度低。

方案三：采用電子羅盤HMC5883，實(shí)時(shí)調(diào)整飛行方向，使飛行器沿直線行進(jìn)。優(yōu)點(diǎn)是精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是只能控制飛行器直線飛行，無法檢測(cè)著陸點(diǎn)B，性價(jià)比低。

經(jīng)比較，方案一可行性好，性價(jià)比高，采用方案一。

3.1.2飛行姿態(tài)控制模塊

方案一：在每個(gè)飛行器軸上安裝一個(gè)傾角傳感器，通過四個(gè)傾斜角配合PID算法時(shí)單片機(jī)能控制飛行器平衡。優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)精度高，采集穩(wěn)定；缺點(diǎn)是性價(jià)比低。

方案二：采用一個(gè)MPU6050陀螺儀采集三維空間的飛行器傾斜角，加速度，角速度，在配合相應(yīng)PID算法，控制飛行器平衡。優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集快，數(shù)據(jù)全面；缺點(diǎn)是控制復(fù)雜。

處于飛行器載重和性價(jià)比考慮，選擇方案二。

3.1.3投拾鐵片模塊

方案一：利用磁鐵對(duì)鐵有較強(qiáng)吸力的特性來拾取貼片，同時(shí)在鐵片和磁鐵之間用一層擋板隔開，并且擋板的一邊連接在一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上。投擲貼片時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)擋板旋轉(zhuǎn)，擋板則帶動(dòng)鐵片遠(yuǎn)離磁鐵有效磁力范圍，使鐵片掉落。優(yōu)點(diǎn)：可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定；缺點(diǎn)：電機(jī)和磁鐵重量大。

方案二：采用電磁鐵，在拾取鐵片時(shí)給電磁鐵通電，產(chǎn)生磁性吸引鐵片，投放時(shí)，關(guān)斷電磁鐵電流，磁力消失，鐵片掉落。優(yōu)點(diǎn)：控制方便，可靠性高，重量輕；缺點(diǎn)：需要強(qiáng)磁力時(shí)，功耗大，重量大。低磁力時(shí)，鐵片吸附不緊易脫落。

綜合考慮，選方案二。

3.1.4電機(jī)選擇模塊

方案一：采用四個(gè)直流電機(jī)做螺旋槳的動(dòng)力部分。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速低，提供升力小。

方案二：采用四個(gè)無刷直流電機(jī)做螺旋槳的動(dòng)力部分。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)速快，提供升力大，控制精確，性價(jià)比高；缺點(diǎn)：價(jià)格高，需專用驅(qū)動(dòng)模塊。

由于飛行器有一定載重能力，需要較大升力，所以選用方案一。

3.1.5飛行高度檢測(cè)模塊

方案一：利用激光測(cè)距傳感器測(cè)量飛行器飛行高度。優(yōu)點(diǎn)：精度高，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)：性價(jià)比低，體積和重量大。

方案二：利用超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量飛行器飛行高度。優(yōu)點(diǎn)：性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)。

經(jīng)比較，超聲波傳感器在精度上已經(jīng)能很好的滿足系統(tǒng)需求，且重量和體積較小，所以選擇方案二。

3.2系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)原理如下圖2所示：

圖2 系統(tǒng)整體框圖

3.3單元模塊電路

飛行器驅(qū)動(dòng)電路如下圖3所示：

圖3 飛行器驅(qū)動(dòng)電路

電池12V輸出轉(zhuǎn)5V為單片機(jī)供電如下圖4所示：

圖4 12V轉(zhuǎn)5V電路圖

4.程序設(shè)計(jì)

微小型四旋翼飛行器是一個(gè)具有六自由度（位置與姿態(tài)）和4個(gè)控制輸入（旋翼轉(zhuǎn)速）的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。姿態(tài)控制是整個(gè)飛行控制的關(guān)鍵，因?yàn)樗男盹w行器的姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系（俯仰/橫滾直接引起機(jī)體向前后/左右移動(dòng)），如果能精確控制飛行器姿態(tài)，則采用PID控制律就足以實(shí)現(xiàn)其位置與速度控制。

圖5 程序流程圖

5.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

5.1測(cè)試方法

a.一鍵式起飛，記錄飛行器由A區(qū)到達(dá)B區(qū)的時(shí)間t1。

b.一鍵式起飛，記錄飛行器由B區(qū)到達(dá)A區(qū)的時(shí)間t2。

c.一鍵式起飛，飛行器拾取鐵片，從示高線上方由A區(qū)飛到B區(qū)上空投放鐵片，并返回A區(qū)降落.記錄這段飛行的時(shí)間t3（最多允許測(cè)試兩次）。

5.2測(cè)試結(jié)果

以上測(cè)試結(jié)果如下表1所示：

表1 測(cè)試結(jié)果

5.3測(cè)試結(jié)果分析

飛行器能較好的完成由A區(qū)到B區(qū)，或者B區(qū)到A區(qū)，拾取/投放鐵片等動(dòng)作，且飛行速度快。但由于飛行器處于動(dòng)態(tài)平衡，會(huì)在小范圍內(nèi)顫動(dòng)，導(dǎo)致鐵片在空中投擲后落點(diǎn)無法準(zhǔn)確控制。 [科]

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