桂花

（祁陽縣農(nóng)機局，湖南 永州 426100）

植保四軸無人飛行器關(guān)鍵技術(shù)探討

桂花

（祁陽縣農(nóng)機局，湖南 永州 426100）

筆者首先介紹了四軸飛行器的機械結(jié)構(gòu)及飛行原理，然后分析了飛行器控制系統(tǒng)的軟硬件設計，最后探討了飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與解算以及實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行的控制算法，希望能夠為今后相關(guān)問題的研究提供一定的參考依據(jù)。

植保；四軸飛行器；關(guān)鍵技術(shù)

1 四軸無人飛行器的機械結(jié)構(gòu)

無人飛行器通?？梢苑譃閮纱箢?，一類是旋翼機，另一類是固定翼。在這兩種類型中，旋翼機在飛行器中非常普遍。根據(jù)旋翼機翼數(shù)量的不同，又可分為單旋翼和多旋翼兩種具體類型。四軸無人飛行器和直升機一樣，都是旋翼機中的一種，但是和直升機相比，四軸無人飛行器的結(jié)構(gòu)有著很大的不同。

圖1 “十”字型和“X”型兩種飛行控制方式

現(xiàn)階段，四軸無人飛行器的機械結(jié)構(gòu)安排比單旋翼直升機簡化了很多，在系統(tǒng)的可靠性方面有了很大的提升。結(jié)合當前四軸飛行器的實際情況來看，四軸無人飛行器控制的主流方式主要有“十”字型和“X”型兩種?！笆弊中涂刂骑w行器水平運動方向與軸臂平行，“X”型控制則是飛行器水平運動方向與軸臂形成一定的夾角。兩種不同方式的控制具體如圖1所示。

2 四軸飛行器的飛行原理

四軸飛行器更多情況下是一種多旋翼飛行器，這也就造成了它的控制與多旋翼飛行器在很多地方比較相似，因此只要將飛行器各個方向的控制量通過軟件合理的分配到多旋翼的各個旋翼，既可以實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定運動控制。四軸飛行器在運行過程中主要存在四種飛行狀態(tài)：垂直飛行、俯仰飛行、橫滾飛行以及偏航飛行。這四種飛行運動可以改變各旋翼的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，由于四軸飛行器是一種四輸入，六自由度的不穩(wěn)定的強耦合系統(tǒng)，所以在程序控制中需要考慮旋翼之間協(xié)調(diào)控制，最終控制飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定。

3 四軸飛行器控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

四軸飛行器主要包含飛行器主體和地面控制與監(jiān)控設備兩大部分。四軸飛行器主體包含提供主要動力的四個無刷直流電機及其驅(qū)動、實時檢測飛行器姿態(tài)的多傳感器模塊、無線通信設備等。地面系統(tǒng)主要包括提供飛行控制命令的無線遙控設備，提供參數(shù)修改和數(shù)據(jù)監(jiān)測的無線設備和計算機監(jiān)控設備。

3.2 系統(tǒng)硬件設計

（1）無刷直流電機選型。植保四軸飛行器必須具有一定的帶負載能力，針對其研究實驗必須選用功率相對較大的無刷直流電機和相關(guān)的驅(qū)動裝置，保證控制模型相似。同時為了保證試驗過程的安全，以及解決試驗中供電問題，選擇功率適中的無刷直流電機。

（2）飛行控制處理器。四軸飛行器的控制系統(tǒng)是一個對實時性和數(shù)據(jù)處理能力要求比較高的系統(tǒng)，需要同時處理多路復雜的數(shù)據(jù)，比如遙控器的電平寬度的捕獲，電池的電量采集，姿態(tài)模塊的數(shù)據(jù)采集和處理，四軸旋翼電機的控制量的輸出等。控制系統(tǒng)不僅要求處理能力強，還要求自身的質(zhì)量輕、體積小，適合安裝在飛行器上。

（3）無線裝置。根據(jù)植保四軸飛行器的作業(yè)要求，雖然大多時間都在可視距離內(nèi)，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x較大，所以對無線傳輸設備的傳輸功率有一定的要求。試驗平臺中的無線裝置包括發(fā)送指令的遙控設備和用于監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸設備，為了更好地滿足實驗要求，采用了傳輸距離相同的天地飛二代遙控接收裝置和3DR串行無線數(shù)據(jù)傳輸裝置。

（4）無刷電機驅(qū)動設計。無刷直流電機是屬于交流電機，它與普通的有刷直流電機存在很大的差異，普通的直流電機驅(qū)動電路比較簡單，基本上用脈寬調(diào)制電路和功率放大電路組合就可以實現(xiàn)電機的驅(qū)動和調(diào)速控制。而四軸飛行器上采用的無刷直流電機是一種外轉(zhuǎn)子的電機，將磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機運行時，是整個外殼在轉(zhuǎn)，而中間的線圈定子不動。

3.3 系統(tǒng)軟件設計

（1）系統(tǒng)程序初始化。STM32系統(tǒng)上電時，默認執(zhí)行系統(tǒng)上電復位程序，因此開啟系統(tǒng)后需要對系統(tǒng)進行程序初始化設置，系統(tǒng)初始化的程序一般只需要執(zhí)行一次，主要完成系統(tǒng)的某些初始化的設置。程序初始化設置主要包括時鐘的初始化、端口的初始化、主要系統(tǒng)參數(shù)的初始化和讀取系統(tǒng)內(nèi)部資源等。在系統(tǒng)啟動后，通過短暫的延時等待系統(tǒng)各部分正常工作。

（2）軟件系統(tǒng)資源分配。根據(jù)系統(tǒng)中采用的定時器資源，以及系統(tǒng)硬件各部分的聯(lián)系，程序初始化時對處理器與外部相連的 GPIO口進行了相關(guān)的設置，根據(jù)相關(guān)研究對飛行控制系統(tǒng)的主要資源端口的說明，其中對于用到的端口均根據(jù)STM32中 V3.5版本中庫函數(shù)進行了相應的設置，并且在后續(xù)的試驗中均工作正常，有效的驗證了資源分配的合理性。

4 無人飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的解算與姿態(tài)控制算法

（1）姿態(tài)數(shù)據(jù)解算。姿態(tài)解算的最終目的是獲取飛行器在某一時刻準確的姿態(tài)角度，硬件系統(tǒng)中包含了加速度計和陀螺儀兩種測量姿態(tài)角度的傳感器。加速度計具有很好的靜態(tài)性能，在靜止狀態(tài)下能夠準確的測量當前機體自身相對地面坐標系的姿態(tài)角度；而陀螺儀則具有較好的動態(tài)性能，通過積分的方式獲取機身姿態(tài)角度相對初始角度的變化量來獲取機身當前的姿態(tài)角度。這兩種方式都存在各自的缺陷，采用陀螺儀積分得到的角度隨著積分時間增加，偏差越來越大。

（2）姿態(tài)控制算法。根據(jù)四軸飛行器飛行運動的原理分析，飛行器整體上屬于一種四輸入，六自由度的欠驅(qū)動、強耦合的不穩(wěn)定系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的整體建模分析相對比較復雜。但是，通過數(shù)據(jù)分析后將機械機構(gòu)對稱安裝，可以很好地抑制飛行器自身的不穩(wěn)定。根據(jù)飛行器的對稱性，可以對飛行器的某個維度實施單獨控制，將飛行器每個維度控制穩(wěn)定后，在將所有的控制結(jié)合起來，只需要對其控制參數(shù)進行微調(diào)就可以達到穩(wěn)定的整體效果。對于四軸飛行器的姿態(tài)控制主要包括橫滾方向、俯仰方向和航向角的控制，因此四軸飛行器的四個旋翼的控制量主要由油門量、橫滾方向輸出量、俯仰方向輸出量和航向角控制量四部分組成。

5 結(jié)語

總而言之，四軸無人飛行器的發(fā)展速度非?？?，應用在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中，取得了巨大的經(jīng)濟效益。但是四軸無人飛行器在農(nóng)業(yè)植保應用領(lǐng)域仍然存在一定的問題，需要在日后的發(fā)展中作進一步的研究。

［1］鄧矛.關(guān)于四軸飛行器的姿態(tài)動力學建模［J］.科技創(chuàng)新導報，2014，12，（9）：256-256．

Discussion on Key Technology of Plant Protection Four-axis Unmanned Aerial Vehicle

HUI Hua
（Qiyang County Agricultural Machinery Bureau，Yongzhou，Hunan 426100，China）

The paper firstintroduces themechanicalstructure and flightprinciple of the four-axisaircraft，and then analyzes thehardware and software design of theaircraftcontrolsystem，finally discusses theacquisition and calculation of theattitude data of the aircraft and the control algorithm of the stable flight of the aircraft，hoping to provide a reference for the problem of research.

plantprotection；four-axisaircraft；key technology

S252.3

A

2095-980X（2017）05-0117-02

2017-04-30

桂花（1982-），女，助理工程師。