北方民族大學(xué) 郭 蕭 祝 玲 郭 青 葉麗榮

四旋翼飛行器設(shè)計(jì)方案

北方民族大學(xué) 郭 蕭 祝 玲 郭 青 葉麗榮

四旋翼飛行器如今已為眾人所熟知，四旋翼的應(yīng)用也比較廣泛，本文重點(diǎn)講解一下四旋翼飛行器的具體設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)使用到主控芯片Cotex-M4 K60，無(wú)線通訊模塊ZigBee，角度傳感器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，以及電源管理模塊，無(wú)刷電機(jī)等組成，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為主控芯片通過(guò)互補(bǔ)算法，卡爾曼濾波算法等實(shí)現(xiàn)角度計(jì)算和通過(guò)PID、模糊算法等控制計(jì)算電機(jī)控制輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)獲取地面站指令，完成相應(yīng)動(dòng)作。

四旋翼飛行器；無(wú)線通訊；互補(bǔ)算法；PID

引言

隨著四旋翼飛行器的迅速發(fā)展，四旋翼飛行器在日常生活中的使用越來(lái)越頻繁，抗險(xiǎn)救災(zāi)，農(nóng)藥噴灑，崗位執(zhí)勤等方面愈發(fā)凸顯四旋翼飛行器的使用價(jià)值。本文目的在于提出一種四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)方案。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)中使用Cotex-M4 K60作為主控制器，該控制器主要應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，經(jīng)過(guò)多年的測(cè)試和使用其穩(wěn)定性已不言而喻，flash容量高達(dá)512KB,富有豐富的內(nèi)部資源，性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，高達(dá)200MHz的鐘頻率，是多任務(wù)控制器的不二之選。該控制器其主要任務(wù)是實(shí)時(shí)接收地面站命令，同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算飛行器當(dāng)前的角度，并實(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到四旋翼飛行器的穩(wěn)定。無(wú)線部分由主從ZigBee無(wú)線模塊組成，主ZigBee主要完成地面站命令發(fā)送，以及應(yīng)答信號(hào)接收，從ZigBee安裝到四旋翼飛行器上，其主要任務(wù)是檢測(cè)獲取主機(jī)命令然后發(fā)送給四旋翼飛行器主控芯片Cotex-M4 K60，主控芯片收到命令之后，做出應(yīng)答，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)完成相應(yīng)的動(dòng)作。總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖2 系統(tǒng)電源

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（部分圖）

2.1 電源模塊

由于芯片、LCD屏供電需要3.3V,角度等傳感器需要5V電源，故硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)做了兩路電源。傳感器使用的電源要求紋波要盡可能地少，本方案中采用了效率較低但紋波較小的芯片LM2940（效率僅有40%左右），而沒(méi)有采用效率較高紋波較大的開(kāi)關(guān)電源（效率高達(dá)90%），圖2為系統(tǒng)電源部分。

2.2 電機(jī)輸出模塊

如圖3所示為系統(tǒng)緩沖門(mén)，目的是放置驅(qū)動(dòng)在測(cè)試過(guò)程中損壞，回流電流過(guò)大損壞主控芯片添加的隔離緩沖門(mén)電路。

圖3 驅(qū)動(dòng)緩沖門(mén)

2.3 無(wú)線傳輸模塊

如圖4所示為ZigBee無(wú)線傳輸模塊，該模塊載波在2.4GHz頻段，穩(wěn)定性高，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速率可調(diào)。

圖4 ZigBee無(wú)線傳輸模塊

2.4 LCD屏顯模塊

LCD屏顯模塊主要是用來(lái)下位機(jī)數(shù)據(jù)調(diào)試使用，便于脫機(jī)調(diào)試時(shí)實(shí)時(shí)觀察飛行器內(nèi)部參數(shù)，最終成品不含有該模塊。

圖5 LCD屏顯模塊

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖6為系統(tǒng)軟件控制流程圖，系統(tǒng)初始化完成以后，在不同的1ms時(shí)間片中斷里分別執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，第一個(gè)毫秒內(nèi)做任務(wù)一，其內(nèi)容為獲取當(dāng)前飛行器的三軸角度、角速度數(shù)字量或者模擬量。然后在第二個(gè)毫秒內(nèi)根據(jù)三軸角度值、角速度值進(jìn)行角度合成和角度矯正。第三個(gè)毫秒內(nèi)主要使計(jì)算四個(gè)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速。第四個(gè)毫秒內(nèi)完成飛行器的高度、航向獲取，為懸停做準(zhǔn)備。第五個(gè)毫秒主要進(jìn)行系統(tǒng)安全檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)是，系統(tǒng)會(huì)在主任務(wù)里完成迫降任務(wù)。如此循環(huán)下去，直至關(guān)機(jī)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖6 系統(tǒng)軟件控制流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

該方案設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器已經(jīng)過(guò)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期效果，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意到的是系統(tǒng)安全及其穩(wěn)定性的要求，因?yàn)樗男盹w行器的穩(wěn)定性直接影響人身、財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。設(shè)計(jì)和調(diào)試系統(tǒng)的時(shí)候務(wù)必要做好防范措施以及緊急情況處理程序，在初步確認(rèn)系統(tǒng)成熟以后，出于多方面考慮有一定的必要設(shè)計(jì)一下雙系統(tǒng)控制，以便使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，使其魯棒性更強(qiáng)。

[1]鄒伯敏．自動(dòng)控制理論(第三版)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007．06．

[2]智能車(chē)競(jìng)賽秘書(shū)處．電磁組直立行車(chē)參考設(shè)計(jì)方案(版本 2．0)[Z]．2012．03．

Four rotor design

GuoXiao ZhuLing GuoQing YeLirong
(Beifang University of Nationalities, Ningxia Yinchuan City,750021,China)

Constitute a quadrotor has now for all known, the use of four rotor is also widely used, this paper explain the key to the specific design of the four rotor aircraft. The design used to main control chip Cotex-M4 K60, ZigBee wireless communication module, angle sensor, motor drive module and power management module, no brush motor etc., the specific implementation process as the main control chip through the complementary algorithm, Kalman filter algorithm realize the angle calculation and the PID or fuzzy control algorithm in the calculation of the motor output control, and real-time access to the ground station to make, appropriate action.

Four rotor aircraft；wireless communication；complementary algorithm；PID

郭蕭（1993-），男，大學(xué)本科，單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工程師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)。

祝玲（1978-），女，講師，研究方向：微電子。

郭青（1992-），男，大學(xué)本科，機(jī)械工程師，研究方向：機(jī)械工程。

葉麗榮（1993-），女，大學(xué)本科，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)。