摘 要：隨著我國經濟建設的深入發(fā)展，各行各業(yè)的科技水平均獲得了明顯的提升，能源、微電子等技術的應用，為科學的進一步發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。四旋翼飛行器有著優(yōu)良的飛行安全保障，其明顯的優(yōu)勢性能已經在當前獲得了相關領域和學術界的廣泛關注。為了更好地滿足四旋翼飛行器的應用要求，和實現對四旋翼飛行器的控制平臺和硬件電路的設計，就要對四旋翼飛行器的飛行原理和結構特點進行深入的分析，提出優(yōu)化性建議，采用多傳感器技術對四旋翼飛行器硬件的電路設計進行研究，以便為四旋翼飛行器的進一步研發(fā)提供一些參考。

關鍵詞：四旋翼飛行器；多傳感器；電路設計；硬件

中圖分類號：V249.1

近些年來，諸多新技術促進了多個行業(yè)的先進技術的進一步發(fā)展，新能源、微電子技術、傳感器技術、微慣導技術和飛行控制技術的全面發(fā)展和應用，促使四旋翼飛行器的技術與結構獲得了極大的改善，并且動力性能也得到了一定的優(yōu)化。四旋翼飛行器的多傳感器也因此被賦予了更多的關注，對其的控制方法也有了明顯的突破性研究進展。四旋翼飛行器擁有多個傳感器硬件設備和多個直流電機，驅動系統是一個高階非線性、多變量、強耦合的欠驅動系統，對飛行姿態(tài)和飛行的控制就相應提高了要求，因此，對四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設計做深入的研究，是進一步保障四旋翼飛行器安全飛行的必要之舉。

1 四旋翼飛行器概述

四旋翼飛行器，是一個具有四個螺旋槳的飛行器，與傳統的直升機相比，它的特點是機械機構相對簡單、螺旋槳體積更小、飛行的安全保障系數更高、智能控制算法比較先進。四旋翼飛行器的四個螺旋槳也呈交叉結構，相對的四個旋翼共有兩組，四旋翼旋轉方向相同，兩組的旋轉方向不同，四旋翼飛行器只能夠通過改變螺旋槳的旋轉速度來完成各種動作。四旋翼飛行器實質上就是一種六自由度的垂直起降機，因此非常適合準靜態(tài)或靜態(tài)條件下進行起飛，但是四旋翼飛行器有四個輸入力、卻同時存在六個輸出，因此是一種欠驅動系統[1]。所謂的欠驅動系統指的是輸入少、輸出多的系統。一般來講，旋翼式直升機的螺旋槳能夠實現傾角變化，而四旋翼飛行器前后和左右兩組螺旋槳的轉動方向卻相反，螺旋槳轉動的速度能夠改變升力，進而能夠改變四旋翼飛行器的飛行狀態(tài)和飛行位置。

2 四旋翼飛行器的飛行原理和結構特點

四旋翼飛行器的四個螺旋槳呈交叉結構，交叉的螺旋槳呈兩條正方形對角線狀，安裝在四個槳臂末端頂點的螺旋槳分別由電機相連接，處在一條對角線上的兩個螺旋槳有著相同的旋轉方向，這樣的結構才能保持整個系統扭矩的平衡。所以改變螺旋槳的旋轉速度，才能使四旋翼飛行器在其慣性參考坐標系中產生六自由度的運動，其中包括了三個沿著坐標軸方向的線性運動，如飛行器的起飛和降落、左右側飛和前進后退，也包括了三個坐標軸方向的角運動如俯仰、橫滾和偏航，并能夠在小范圍的區(qū)域進行垂直起飛和降落，維持穩(wěn)定的盤旋和使飛行器能夠準確向目標飛行。

查閱文獻可知，哈工大工程訓練中心自主創(chuàng)新的實驗室在2007年就展開了對四旋翼飛行器的相關技術研究。曾經研制出的四旋翼飛行器原型機樣由產生上升力的四個旋翼和四個旋翼所處的機身架構組成，內部有著控制板[2]。在這個結構中，旋翼上又包括著四個直流無刷驅動電機、連接元件和螺旋槳槳葉等，機身由兩根鋁合金十字交叉制成，于當時通過實驗證明了其在飛行中，能夠實現多種飛行姿態(tài)。目前的四旋翼飛行器的硬件結構是以微控制系統作為飛行器核心，包含了傳感器系統、無線通信系統和無刷電機系統。傳感器系統中包含了陀螺儀、電子羅盤和加速度計；無刷電機系統中包含電機驅動及控制系統和無刷電機；無線通信系統基于遙控技術和PPM接收機、OpenGL強大的三維圖形功能和Visual C系統模塊。

3 四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設計

四旋翼飛行器的傳感器包括陀螺儀、電子羅盤和加速度計。其中，陀螺儀是飛行器控制系統的核心元件，它的芯片采用的是ENC系列產品，ENC系列產品是日本村田公司所生產。陀螺儀的單軸角速度傳感器用的是ENC-03M，它是目前較為先進的一種技術應用，能夠穩(wěn)定的測出角加速度的值，但也存在一定的不足，比如漂移現象較為嚴重，無法獨立完成準確的角度值測量，需要其他的硬件和軟件的通力配合來完成。數據的處理需要在一定的時間范圍內運用累加式的積分運算方式計算得出。

電子羅盤的作用是為了解決四旋翼飛行器的橫向漂移和自旋的問題，對其電路設計也有著重要的作用，但是對電子羅盤電路設計的成本需要納入到考慮的范圍內，目前的電子羅盤主要采用HMC1052，這是一種雙軸線性磁傳感器，并且每個傳感器上面都有著一個惠斯通橋，惠斯通橋由磁阻薄膜合金所組成，一旦在橋路上施加供電電壓，則傳感器就能夠將磁場強度轉化為電壓，電壓由此輸出，這其中的磁場包括了環(huán)境磁場和測量磁場。

加速度計目前多數采用MMA7260，MMA7260由美國的Freescale公司推出，是一種單芯片三軸的加速度計，具有低成本的特點。這種微型的電容式加速度計有著一定的優(yōu)勢，它融合了單級低通濾波器、信號調理和溫度補償技術，同時能夠提供四種加速度測量范圍，包括±1.5、±2、±4、±6。一般情況下，加速度計應用的工作電壓為2.2-3.6V，穩(wěn)壓器采用AMS1117，將5V電壓轉化為3.3V，通過穩(wěn)定的電壓為傳感器供電。采集數據通過數據驗證公式X=Gsin a對該加速度計模型的正確性[3]。

在進行上述電路設計時，還要進行數據的采集，數據的采集一般采用12位高速芯片來采集模擬信號，芯片一般為AD高速芯片TLV2543，AD的電壓參考均以外部+3.0V電壓為準，參考源芯片采用PAM3101芯片。TLV2543芯片的最高轉速可達66kSPS，能夠實現通過編程予以斷電，MSB/LSB可優(yōu)先選擇，其中置有自檢測模式和11信道。這種方式能夠滿足各種環(huán)境的模數轉換任務，數據之間的通信則采用SPI接口來進行。采集之后各個數據的處理關系基于陀螺儀積分出來的角度值得出，陀螺儀積分出來的角度值=加速度計反正弦轉換后的值×ACC-GYRO，ACC-GYRO為轉換系數。最后在Matlab的環(huán)境下將數據輸入工作空間，通過M函數進行編程，以達到數據的線性擬合，通過函數曲線變化的趨勢來驗證加速度計的采樣數據即X=Gsin a的正確性。

4 結束語

綜上所述，四旋翼飛行器隨著科學技術的發(fā)展已經被賦予了更多的關注，只有深入研究其電路原理，才能保證其飛行的安全。本文對四旋翼飛行器飛行原理和結構做了簡要概述，并初步分析了四旋翼飛行器多傳感器硬件的電路設計，旨在為相關進一步的深層次研究提供參考。

參考文獻：

[1]吳延榮，王克河，王桂娟，基于MMA7260Q的數字傾角傳感器設計[J].微計算機信息，2011（26）：113-114.

[2]胡從坤，余澤宇，陳曦晨.四旋翼飛行器控制系統研究[J].科技廣場，2014（06）：51-56.

[3]肖霞，吳向榮.航天外協外購產品質量控制的探索與實踐[A].第三屆中國質量學術論壇文集[C]，2012（01）：12-15.

作者單位：廈門理工學院，福建廈門 361024