西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院　趙宇萌　邢　宇

多旋翼自主飛行器

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院趙宇萌邢宇

四旋翼飛行器系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號處理、飛行姿態(tài)和航向控制部分組成。系統(tǒng)選用瑞薩RL78/G13 MCU板作為主控芯片，通過超聲波采樣判斷離地高度，從而調(diào)節(jié)PWM保證飛行器控制在h1和h2示高線范圍內(nèi)。采用MPU-6050芯片采集飛行器的三軸角速度和三軸角加速度數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行PID算法處理給出相應(yīng)指令，對飛行姿態(tài)進行控制。用激光傳感器檢測出黑色指示線，使飛行器在指定飛行區(qū)域及到達指定圓形區(qū)域，同時用攝像頭進行拍攝工作。

四翼飛行器；RL78/G13 MCU板；MPU-6050；超聲波測距

1　系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由控制模塊、電機調(diào)速模塊、高度測量模塊、電源模塊、循跡模塊組成。采用瑞薩RL78/G13 MCU開發(fā)板為主控芯片，采用MPU-6050芯片采集的數(shù)據(jù)，對從MPU-6050芯片中讀取到的一系列數(shù)據(jù)進行PID算法處理，通過PWM輸出給飛行器的電調(diào)給出相應(yīng)指令對飛行器的飛行姿態(tài)進行控制，同時通過超聲波傳感器可以方便的測出飛行高度。電源采用鋰電池減輕飛行器的自身重量。

2　系統(tǒng)理論分析與計算

2.1四旋翼飛行器的基本原理的分析

2.1.1基本工作原理

四旋翼飛行器是由固連在剛性十字交叉結(jié)構(gòu)上的4個電機驅(qū)動的一種飛行器［1］。

四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動作的原理：電機l和3逆時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個正槳產(chǎn)生升力，電機2和4順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個反槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機和槳使其各自對機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消，保證4個電機轉(zhuǎn)速一致時機身不發(fā)生轉(zhuǎn)動。電機1和4轉(zhuǎn)速減小（增大），同時電機2和3轉(zhuǎn)速增大（減?。?，產(chǎn)生向前（后）方向的運動。電機1和2轉(zhuǎn)速減小（增大），同時電機3和4轉(zhuǎn)速增大（減?。?，產(chǎn)生向左（右）方向的運動。4個電機轉(zhuǎn)速同時增大（減?。┊a(chǎn)生向上（向下）的運動。對角線的電機一組轉(zhuǎn)速增大，另一組轉(zhuǎn)速減小產(chǎn)生自身旋轉(zhuǎn)運動［2］。

2.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件組成

三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計組成姿態(tài)測量系統(tǒng)，主控制器將姿態(tài)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行解算得到當(dāng)前姿態(tài)，再與通過無線模塊接收的姿態(tài)控制指令一起作為姿態(tài)PID控制器的輸入，姿態(tài)控制器輸出相應(yīng)的PWM信號分別驅(qū)動4個電調(diào)，進而改變4個電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)姿態(tài)控制［3］。旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設(shè)備［4-5］。

2.2姿態(tài)解算算法計算

2.2.1初始姿態(tài)獲取

當(dāng)飛行器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，參考坐標(biāo)系下的加速度為重力加速度（）=（0，0，0），可得：

2.2.2四元數(shù)姿態(tài)更新

首先將歐拉角轉(zhuǎn)換為四元數(shù)，然后進行四元數(shù)的更新，如式（2-6）。代表陀螺采樣時間間隔。代表載體坐標(biāo)系下的角速度，由陀螺得到［9-10］。

2.2.3規(guī)范化四元數(shù)

表征旋轉(zhuǎn)的四元數(shù)應(yīng)該是規(guī)范化四元數(shù)，因為計算過程中四元數(shù)會逐漸失去規(guī)范化特性，所以必須對四元數(shù)做規(guī)范化處理。使用互補濾波器矯正后的歐拉角，先轉(zhuǎn)換為四元數(shù)，然后使用式（2-7）對其進行規(guī)范化后再進行更新操作。

2.3PID控制算法的計算

PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成［11］。輸入一般是系統(tǒng)輸出與一個參考值的差值即控制偏差，然后把這個差別用于計算新的控制量，目的是可以讓系統(tǒng)的輸出達到或者保持在參考值。對角速度做積分預(yù)算實際得到的就是角度，若四軸有一個傾斜角度，則四軸就會自動調(diào)整，直到四軸的傾角為零，所產(chǎn)生的抵抗力與角度成正比［12］。若只有積分的作用，會使四軸產(chǎn)生振蕩，必須將P和I結(jié)合起來一起使用［13］。

3　電路與程序設(shè)計

3.1電路的設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖：

圖1　系統(tǒng)總體框圖

3.2程序設(shè)計思路和流程圖

主程序流程圖如圖2所示。根據(jù)瑞薩RL78/G13 MCU板的特點，主要思路：單片機上電、延時等待電源穩(wěn)定、減少電源波動對系統(tǒng)的干擾，之后利用定時器設(shè)定電機PWM周期、串口初始化，在串口中斷服務(wù)函數(shù)中不斷接收各類傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，且為數(shù)據(jù)的有效性設(shè)定特定幀頭、狀態(tài)位、結(jié)束位和校驗位。在初始化結(jié)束后，設(shè)定目標(biāo)姿態(tài)、進入循環(huán)函數(shù)，不斷檢測各類傳感器數(shù)據(jù)是否接收完成，一旦接收到有效的姿態(tài)數(shù)據(jù)，就進入姿態(tài)控制函數(shù)。在姿態(tài)控制函數(shù)內(nèi)部，利用當(dāng)前四軸飛行器的翻滾和俯仰數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊控制算法，解算出不同姿態(tài)，每個空心杯電機需要的調(diào)整量，這樣不斷的接收姿態(tài)數(shù)據(jù)，解算數(shù)據(jù)，調(diào)整量輸出，使四軸飛行器穩(wěn)定的飛行。

4　測試方案與測試結(jié)果

4.1測試方案

4.1.1硬件測試

檢查多次，仿真電路和硬件裝置，硬件測試：在硬件電路組裝前，先進行電子調(diào)速器和電機的單獨測試，組裝完成后用遙控器進行整體測試。

4.1.2軟件仿真測試

在調(diào)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。

圖2　主程序流程圖

4.1.3硬件軟件聯(lián)調(diào)

對飛行器起飛、懸浮、降落、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)進行測試，利用實際飛行區(qū)進行測試。

4.2測試條件與儀器

測試條件：電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。且在試飛場地進行多次測試到達目的時間和偏離目的地情況。

測試儀器：高精度數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，四軸飛行器專用遙控器。

4.3測試結(jié)果及分析

4.3.1測試結(jié)果

表4-1　A到B測試表

4.3.2測試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：（1）測量的最大時間符合設(shè)計所規(guī)定的時間。（2）飛行器在空中飛行時間越長，控制性能越好，飛行越穩(wěn)定，飛行器降落時偏離目標(biāo)距離越短。

綜上所述，本設(shè)計達到設(shè)計要求。

5　結(jié)論與心得

此次設(shè)計用到了瑞薩芯片輸出PWM波控制無刷電機的轉(zhuǎn)速，通過I2C通信系統(tǒng)連接MPU6050傳感器控制飛行器的平衡，并運用了姿態(tài)算法、標(biāo)準(zhǔn)PID算法，使其達到一致從而保證飛行器穩(wěn)定飛行。

在對四軸飛行器測試過程中，有很多問題。由于電機和機架的震動，加速度計對姿態(tài)的估計干擾無法消除，使得遙控器不給控制指令的時候，四軸飛行器也會往一邊偏移運動；陀螺儀的誤差導(dǎo)致長期姿態(tài)的估計誤差會越來越大；四軸飛行器的穩(wěn)定飛行對四個電機或電調(diào)性能的一致性要求較高。

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趙宇萌（1994—），女，河北晉州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院。