高光耀 馬文來 劉安

摘要：本文基于WIFI無線傳輸技術，通過建立四旋翼飛行器的空氣動力數(shù)學模型，結合實際需求分析，通過單片機總控，各功能模塊有機整合，優(yōu)化軟硬件設計，完成最終制作調(diào)試，實現(xiàn)飛行器的自由巡航、懸停、降落和視頻探測等功能，達到了預期設計目標。

關鍵詞：WIFI;四旋翼;飛行器

1.引言

四旋翼飛行器是一種可以實現(xiàn)垂直起降的旋翼式無人飛行器，具有操控簡單，體積小，機動性強，啟動快，方便拍攝等優(yōu)點，能及時地將諸如地震、礦難等特殊現(xiàn)場第一手資料傳送回控制中心，幫助我們了解現(xiàn)場狀況并作出正確判斷[1]。

國外對旋翼式飛行器的研究較多且較深入，我國在該領域的研究起步較晚，成果相對較弱，并且側重點有所不同，有的側重數(shù)學建模，有的側重自動控制與研發(fā)等等[2]。

本文于是針對自然災害等特殊現(xiàn)場設計了一種基于WIFI的智能多功能四旋翼飛行器，采用獨立控制的四旋翼，升力更大，同時可狹小空間內(nèi)起降，還具有機械結構簡單、機動靈活、操控性高及成本低等優(yōu)勢。

2.建立動力學模型

2.1 坐標變換

四旋翼飛行器的四個旋翼都高速旋轉(zhuǎn)，其所受的空氣動力比較復雜，要建立非常準確的空氣動力學模型比較困難，為了簡化四旋翼飛行器的數(shù)學模型，可忽略其彈性形變[3]。為了相對準確的描述飛行器運動狀態(tài)，建立三維數(shù)學坐標系，也叫機體坐標系。OX軸指向地平面方向，由右手定則確定OY軸和OZ軸的方向。用原點O表示飛行器的重心，則OX軸指向飛行器的前方，OY軸指向飛行器的右方，OZ軸指向飛行器的上方。地面三維坐標系與機體坐標系之間存在三個歐拉角：偏航角ψ（沿Z軸方向）、滾動角φ（沿X軸方向）和俯仰角q（沿Y軸方向）。兩個坐標系之間的關系如下：

，，（1）

可進一步的轉(zhuǎn)換矩陣得：

（2）

經(jīng)計算可得如下坐標轉(zhuǎn)換公式：

（3）

經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換后對其進行數(shù)學建模則相對簡單。

2.2 建立數(shù)學模型

該飛行器在機體坐標系下的受力可表示為[4]：

（4）

轉(zhuǎn)移到地面坐標系上的線位移運動方程可表示為：

（5）

因該飛行器飛行速度相對較低，則空氣阻力系數(shù)可以忽略不計。由歐拉方程可得角度運動方程可表示為：

（6）

解方程化簡可得：

（7）

為計算方便，做以下定義：

（8）

將公式（8）與（2）合并即得四旋翼飛行器的運動方程即其數(shù)學模型：

（9）

3.硬件設計

各部分的電路設計包括：主控模塊、驅(qū)動模塊、通信模塊、電源模塊等。

3.1 主控模塊

主控電路是以STC89S52為核心組成，可通過編程控制外圍各種電路和元器件的工作。STC89S52具的FLASH存儲器、RAM，定時器、外部中斷等方便使用，且價格適中，性價比高[5]。

3.2 驅(qū)動模塊

選用L298N電流電機驅(qū)動模塊，其工作電壓高，輸出電流最大可達3A，持續(xù)工作電流2A，額定工作頻率25W。內(nèi)含高電壓電流全橋式驅(qū)動器，采用標準邏輯電平信號控制，控制直流電機更加簡單容易。該驅(qū)動模塊使用光耦將電壓與信號電壓分隔，增強了可靠性。

3.3 通信模塊

通信模塊主要完成信號轉(zhuǎn)換功能，由作為主控芯片的MAX232組成，將RS232信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，實現(xiàn)單片機與路由器之間的通信。其工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高且功率低價格便宜。

3.4電源模塊

飛行器通過可充電鋰電池供電，電池電源由L7805穩(wěn)壓芯片調(diào)節(jié)電壓，內(nèi)部含調(diào)整管、過熱及過流保護，可靠性好，所需外圍元件少，且成本較低。完成電池的供電電壓平穩(wěn)，使飛行器狀態(tài)穩(wěn)定。

4.軟件設計

四旋翼飛行器的控制部分的作用主要體現(xiàn)在控制飛行器的巡航、起飛、降落、懸停等幾個方面，控制模塊通過采集角速度的反饋參數(shù)來調(diào)整各個電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)飛行姿態(tài)的變化。四旋翼的電機驅(qū)動性能的好壞及正常工作與否直接決定了飛行器的起飛質(zhì)量。主要控制策略為：首先設置電機啟動參數(shù)，當電機收到驅(qū)動信號時啟動，并通過傳動裝置帶動四副旋翼旋轉(zhuǎn)，當需改變飛行姿態(tài)，即改變旋翼轉(zhuǎn)速時，電動機則按收到的反饋信號改變轉(zhuǎn)速實現(xiàn)飛行姿態(tài)的改變。

5.結論

完成硬件組裝及軟硬件綜合測試后，通過試飛獲得該基于飛行器的主要飛行參數(shù)為：飛行高度為0-100m，自重1kg，飛行速度0-36km/h，載重0-1.5kg，有效控制距離約320m。如圖2所示，飛行器各項參數(shù)性能良好，達到了預期設計目標，證實了其具有較高理論研究意義和實用價值，在軍民用領域應用前景廣泛。

圖2四旋翼飛行器

參考文獻：

[1]王俊生.四旋翼蝶形飛行器控制器系統(tǒng)設計與控制方法研究[D].國防科學技術大學，2007，（11）.

[2]楊慶華，宋召青，時磊.四旋翼飛行器建模，控制與仿真.海軍航空工程學院學報.2009，（9）.

[3]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學問題研究[D].南京：南京航空航天大學，2002.

[4]申安玉，申學仁，李云寶.自動飛行控制系統(tǒng).國防工業(yè)出版社.2003，（5）

[5]范立南，謝子殿主編.單片機原理及應用教程[M].北京：北京大學出版社，2006 ，（2）.