西北民族大學 洪淼淼 蔡 寧

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四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設計

西北民族大學 洪淼淼 蔡 寧

【摘要】四旋翼飛行器是一種由四個螺旋槳與四個電調聯(lián)合搭配，實現(xiàn)無人操作按要求飛行的設計。本次設計的四旋翼自主飛行器以瑞薩R5F100LEA為主控制器，通過AD轉換，首先對超聲波傳感器返回值進行采樣，通過采樣得到的數(shù)據(jù)進行判斷離地高度，從而調節(jié)PWM使電機飛行上升調節(jié)。在上升過程中通過MPU6050進行調節(jié)，從而使飛行器飛行過程中達到平穩(wěn)，當PWM達到定值飛時飛行器停止上升。通過調節(jié)使其完成不同的動作，該設計可以應用于人類的生產和生活中，在軍事和民用的范圍也會有很大的發(fā)展。

【關鍵詞】四旋翼飛行器；超聲波測距；MPU-6050

本文受 國家自然科學基金資助（項目編號：61263002）。

1　飛行器設計目的與意義

四旋翼自主飛行器是一種結構新穎、性能優(yōu)越的飛行器，具有操作靈活，帶負載能力強等特點，已經得到許多研究人員的重視，此次設計的四旋翼飛行器性能更加優(yōu)越，能夠適應各種環(huán)境，幫助人類解決在惡劣的環(huán)境中危害人類健康和生命的事情。

四旋翼飛行器機械結構較為簡單且飛行的機動能力靈活，可以在小的區(qū)域內起飛，偵察，降落。四旋翼飛行器的研究價值主要在于其自主飛行的技術，對于四旋翼飛行器應用領域的特殊性，其準確度、高效性以及靈活的偵查能力得到了充分的運用，使四旋翼飛行器在世界上引起了研究熱潮。對于我們現(xiàn)在的軍事和對太空的探索，四旋翼飛行器將會有很大的貢獻。能夠適應各種環(huán)境，幫助人類解決在惡劣的環(huán)境中危害人類健康和生命的事情。四旋翼飛行器的研究正在處于初步階段，對于其技術方面還不是很成熟，但是其對于我們的研究價值是無可代替的。因為對四旋翼飛行器在戰(zhàn)場以及其他方面上還沒有發(fā)揮出其該有的戰(zhàn)斗力和影響力，所以很多的國家都努力的對四旋翼飛行器進行研究。

2　四旋翼飛行器的工作原理與組成部件

2.1工作原理

四旋翼飛行器是由四個旋翼的旋轉來控制其飛行的方向與角度，四個旋翼安裝在一個十字交叉的兩個軸上，為很好的控制其飛行狀態(tài)，每一個旋翼的結構、材料、大小都完全一樣。通過控制電機的轉速，可以達到控制飛行器在立體空間中的飛行狀態(tài)。

2.2組成部件

本系統(tǒng)由飛行控制器模塊、電機模塊、姿態(tài)采集模塊、超聲波測高模塊、電源模塊等組成。系統(tǒng)各個模塊的選擇有著很重要的意義，好的模塊可以使系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，控制更加容易。

該系統(tǒng)的電機模塊選擇的是無刷直流電機。無刷直流電機能量密度高、力矩大、重量輕，采用非接觸式的電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了直 流有刷電機的缺點，適合用于對功率重量比敏感的用途，同時增強了電機的可靠性。并且直流無刷電機選用高性能的磁性材料，相較傳統(tǒng)交流產品在效率方面提高30%～50%，節(jié)能環(huán)保；產品不需要變頻裝置就可以實現(xiàn)轉速0～3000RPM范圍內的調整，可以實現(xiàn)無極調速，控制簡單，并且能將運作的實時轉速以脈沖的形式通過反饋線傳出，安裝尺寸產品性能均較好。

姿態(tài)采集模塊選用的MPU6050三軸陀螺儀。MPU6050三軸陀螺儀可以在同一時間內測量六個不同方向的加速、移動軌跡以及位置的測量裝置。單軸的話，就只可以測定一個方向的量，那么一個三軸陀螺就可以代替三個單軸陀螺。它現(xiàn)在已經成為激光陀螺的發(fā)展趨向，具有可靠性很好、結構簡單不復雜、重量很輕和體積很小等優(yōu)點。

電源模選用3S鋰電池。3S鋰電池能量比較高，使用壽命長，有可以使用10000次的記錄，具備高功率承受力，自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，重量輕，高低溫適應性強，可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用，綠色無污染，在生產、使用中，不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。

控制系統(tǒng)選用R5F100LEA。瑞薩公司所生產的R5F100LEA單片機為主控芯片，此單片機運算功能強大，軟件編程簡單，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且此芯片有很多其它優(yōu)點：消耗電能低，體積小易于安裝，價值成本低，使用靈活方便。并且本系統(tǒng)的程序量較大，需要的I/O口資源較多，需要輸出四路PWM波控制電調轉動，一般的單片機運算能力較低，速度較慢，功能單一，難以實現(xiàn)稍微復雜的設計要求。

3　系統(tǒng)設計方案

3.1系統(tǒng)總體設計

根據(jù)選用的各個模塊，將他們組裝在一起構成一個飛行器的模型。該系統(tǒng)的驅動部件是無刷直流電動機和電機調速器，飛行器件是四個雙葉槳，并安裝有四個防護圈以防止在飛行過程中槳脫落對周圍物品造成傷害。通過C語言編程，進行對該系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1　飛行器控制系統(tǒng)整體結構

3.2系統(tǒng)姿態(tài)控制分析

圖2　姿態(tài)控制回路

如圖2 所示，飛行器姿態(tài)控制的工作原理是把四旋翼飛行器在當前所得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)與其給予的數(shù)據(jù)進行做差運算，再通過控制算法來進行對姿態(tài)誤差信號的分析與處理，接著其主控芯片就通過電子調速器將其得到的調整信號傳遞給電機，我們通過改變四個電機的旋轉速度來對四個旋翼的受力進行調整，進而達到對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。當前的姿態(tài)調整完成之后，馬上會產生新的姿態(tài)，這時姿態(tài)檢測系統(tǒng)就會重新檢測調整飛行的姿態(tài)，將所測到的數(shù)據(jù)傳送到主控芯片中，從而形成閉環(huán)回路控制。

4　系統(tǒng)測試

針對硬件測試：首先，先把四軸飛行器分塊拆解，用最小的最輕的元件和電路板按照配重的需要安裝在四軸飛行器上，并安裝上保護圈。再用物理方法測量重心，使其重心維持在四軸飛行器的中心。通過電源對做好的電壓轉換器進行測試，使其穩(wěn)定在單片機的工作范圍，盡量使其保持穩(wěn)定。

針對軟件測試：在調試程序之前，先用示波器觀察瑞薩單片機PWM輸出，并用程序模仿飛行器的飛行方法，通過對其仿真來測試PWM的穩(wěn)定度。MPU6050模塊配合電腦串口調試助手進行數(shù)據(jù)的查看，方便調試。

硬件軟件聯(lián)調：通過單片機編程，模仿出PWM，并測量是否能通過電機驅動來使飛行器起飛，通過多次測試，找出飛行器起飛時的PWM值。MPU6050模塊通過串口向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，并在電腦上利用串口接收，檢測數(shù)據(jù)是否正確，通過軟件編程針對顯示的數(shù)據(jù)進行修改。通過MPU6050模塊使四軸飛行器穩(wěn)定的起飛，并懸停在空中；再進行測試，使四軸飛行器前進和后退；最后進行降落的測試。通過超聲波的測量使其懸停在30cm的空中，在進行前進后退的校準，使其飛行足夠準確，之后進行對引導線的識別，使飛機平穩(wěn)前進。最后通過對直徑為20cm的黑圓圈進行測試，使其測量到，并使四軸飛行器降落在黑色圓圈內。

通過系統(tǒng)的測試，所設計的四旋翼自主飛行器達到本次設計目的。

5　結束語

本文對四旋翼飛行器的設計進行了敘述，對四旋翼飛行器的起飛、自主定高、降落和姿態(tài)控制進行了說明，通過各種方案的討論和嘗試，在經過很多次的整體軟硬件結合調試，不斷地對系統(tǒng)進行優(yōu)化，設計采用簡單的動力學原理結合軟件開發(fā)平臺，能夠簡單高效的完成任務。

四旋翼飛行器可以廣泛的應用在人類的各行各業(yè)中。在農業(yè)中，可以幫助勞動者對農作物進行灑水、噴藥等；在搶險救災工作中，可以幫助救災人員迅速發(fā)現(xiàn)生命跡象的位置；還可以進行航拍工作等，幫助研究人員省時、省力，更加有效的進展科研工作等。由此可見，四旋翼飛行器的應用范圍比較廣，使得本文的研究有更有意義，并且在未來四旋翼飛行器將會有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

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