王磊

摘 要：文章主要研究基于STM32微型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，微型四旋翼飛行器具有小巧，靈活且造價(jià)比較低的特點(diǎn)，并且以STM32芯片為核心。整個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信模塊，傳感器檢測(cè)模塊，控制器控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)執(zhí)行模塊以及電源模塊。微型四旋翼飛行器的控制算法采用的是PID算法。PID控制算法是工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式。通過(guò)以上控制算法調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)微型四旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行。

關(guān)鍵詞：微型四旋翼飛行器；控制器；控制算法PID

中圖分類號(hào)：TN967.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0113-02

1 緒論

1.1 研究背景及意義

四旋翼飛行器也稱為四旋翼直升機(jī)，是由4個(gè)螺旋槳構(gòu)成，4個(gè)螺旋槳呈十字形交叉分布。四旋翼飛行器采用垂直起降，大大降低了起飛和降落所需要的空間，具有非常好的飛行穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是飛行速度不快。所以大量運(yùn)用于民間拍攝，森林火災(zāi)的巡線以及電纜線路的檢修等等。本文研究微型四旋翼飛行器，能更大的節(jié)省四旋翼飛行器的造價(jià)，使它更便捷的服務(wù)社會(huì)。

1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容

對(duì)于微型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，本文研究的主要內(nèi)容如下：

第一章為緒論，介紹四旋翼飛行器的研究背景及意義。

第二章為微型四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型的建立，簡(jiǎn)單介紹坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

第三章為微型四旋翼飛行器的硬件的選用，選用的基本硬件及其型號(hào)。

第四章為總結(jié)與展望，總結(jié)本文的基本內(nèi)容以及不足和對(duì)未來(lái)的研究重點(diǎn)。

2 微型四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 飛行原理介紹

微型四旋翼飛行器由四個(gè)電機(jī)構(gòu)成。每一個(gè)電機(jī)上各帶一個(gè)螺旋槳。相對(duì)方向的兩個(gè)螺旋槳作為一組對(duì)槳。兩組對(duì)槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。微型四旋翼飛行器是屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Underactuated System），并且具有高度耦合的動(dòng)態(tài)特性。如果飛行器一個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的情況下，將會(huì)產(chǎn)生至少3個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)。

在圖1（a）中，兩對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)向相反。當(dāng)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，由低到高速度逐漸提升時(shí)。兩個(gè)螺旋槳的升力也升高，直到升力達(dá)到一定的值，這個(gè)值足以克服飛行器整體重量時(shí)，微型四旋翼飛行器便開(kāi)始垂直上升；相反，如果4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，微型四旋翼飛行器便開(kāi)始下降，然后落地。當(dāng)兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的升力正好等于無(wú)人機(jī)（UAV）本身的重量時(shí)，此時(shí)，這個(gè)飛行器處于懸停狀態(tài)。

在圖1（b）中，保持電機(jī)1和3轉(zhuǎn)速不變，增加電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)4的轉(zhuǎn)速，此時(shí)，因?yàn)槁菪龢?的升力上升，螺旋槳4升力下降，產(chǎn)生不平衡力矩，這個(gè)不平衡力矩使得飛行器繞機(jī)身的Y軸旋轉(zhuǎn)；當(dāng)降低速度電機(jī)2，增加速度電機(jī)4，飛行器則繞機(jī)身Y軸向另一方向旋轉(zhuǎn)，這就是飛行器的俯仰姿態(tài)控制。

在圖1（c）中，當(dāng)保持電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速不變，僅僅改變電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速時(shí)，則可使飛行器繞機(jī)身X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的滾動(dòng)姿態(tài)控制。

在圖1（d）中，當(dāng)增加電機(jī)1和3轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)2和4轉(zhuǎn)速時(shí)，當(dāng)對(duì)槳（1，3）對(duì)機(jī)身的反扭矩大于對(duì)槳（2，4）對(duì)機(jī)身的反扭矩時(shí)，飛行器便在這種扭矩差的作用下繞機(jī)身Z軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航控制[1]。

2.2 參考系的建立與轉(zhuǎn)換

置身于空間中的飛行器有俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、垂直、橫向運(yùn)動(dòng)這六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，要研究機(jī)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立模型，不僅需要確認(rèn)機(jī)體每一時(shí)刻的空間坐標(biāo)位置，還要描述機(jī)體自身的機(jī)械運(yùn)動(dòng)[2]。

（1）地面坐標(biāo)系

地面坐標(biāo)系，也稱地軸系即OnXnYnZn。坐標(biāo)原點(diǎn)預(yù)選為地面上的飛行器的起飛點(diǎn)。X軸指向正北；Y軸指向正東；Z軸的方向由右手法則確定，確定出Z軸方向?yàn)榇怪庇赬軸與Y軸確定的平面指向地心。由此可知，地軸系也可稱為“北-東-地”。

（2）機(jī)體坐標(biāo)系

機(jī)體坐標(biāo)系，即ObXbYbZb。該坐標(biāo)系與飛行器固連。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于質(zhì)心；X軸方向指向飛行器的機(jī)頭方向；Y軸垂直于飛行器X軸方向指向機(jī)身右側(cè)；Z由右手法則確定，Z軸方向確定為垂直于X軸與Y軸所確定的平面指向地面。

飛行器的姿態(tài)角包括三個(gè)歐拉角，即俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角Φ、偏航角Ψ，定義如下：

俯仰角θ：定義為機(jī)體系與地平面的夾角。

滾轉(zhuǎn)角Φ：定義為機(jī)體系Zb軸與機(jī)體系Xb軸所確定平面的的夾角。

偏航角Ψ：定義為機(jī)體系Xb軸投影在地平面上時(shí)，Xb投影線與地軸系Xn軸的夾角。

當(dāng)?shù)孛孀鴺?biāo)系與機(jī)體系坐標(biāo)系原點(diǎn)重合時(shí)，地軸系Zn軸轉(zhuǎn)動(dòng)Ψ角度的轉(zhuǎn)換矩陣為：

再繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度的轉(zhuǎn)換矩陣為：

再繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ角度的轉(zhuǎn)換矩陣為：

最后繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)Φ角度可得：

以上矩陣都具有正交性，具有可逆性。

3 微型四旋翼飛行器的硬件選用

3.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

（1）控制器控制模塊。主要功能是處理反饋的信號(hào)，與目標(biāo)值進(jìn)行比較得出誤差值，然后采取相應(yīng)的控制方法，發(fā)出控制信號(hào)調(diào)理電機(jī)速度。設(shè)計(jì)中采用STM32F103C8T6處理器，它是時(shí)鐘為56MHz時(shí)為1μs（時(shí)鐘為72MHz為1.17μs）。滿足系統(tǒng)的要求。

（2）驅(qū)動(dòng)模塊。采用SOT-23封裝的MOSFET，對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）。PWM按一定的規(guī)則，調(diào)制各脈沖的寬度，從而達(dá)到改變輸出電壓的大小和輸出頻率。

（3）傳感器檢測(cè)模塊。采用MPU6050的陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量俯仰角（Pitch）和滾轉(zhuǎn)角（Roll）de 穩(wěn)定。采用HMC5883L磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量，可以測(cè)量偏航角的穩(wěn)定（Yaw）。采用GPS模塊，測(cè)量位置的穩(wěn)定。采用MS5611氣壓傳感器輔助GPS定位。endprint

（4）執(zhí)行模塊。執(zhí)行模塊為飛行器，其中主要的執(zhí)行器件為空心杯電機(jī)，其微型電機(jī)型號(hào)為6*12MM驅(qū)動(dòng)空心杯電機(jī)。

3.2 控制算法PID

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，其一般控制規(guī)律為

總體來(lái)說(shuō)，PID控制器的各個(gè)環(huán)節(jié)作用有這三個(gè)方面：

（1）比例環(huán)節(jié)（P）：反映了控制系統(tǒng)的信號(hào)e成比例的變化，如果存在誤差，誤差會(huì)成比例的變化，反映誤差，比例控制不能消除誤差[5]。

（2）積分環(huán)節(jié)（I）：積分的作用主要是通過(guò)積分的作用通過(guò)對(duì)上下震蕩的誤差來(lái)減小誤差，積分作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，可以減小震蕩[5]。

（3）微分環(huán)節(jié)（D）：主要作用是提前給信號(hào)一個(gè)預(yù)判，預(yù)先處理信號(hào)，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減少系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間，使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這次微型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西。首先介紹了本文的研究背景及意義，然后再介紹飛行的原理以及動(dòng)力模型的坐標(biāo)變換等，最后是硬件搭建。本文只是粗淺的介紹些微型四旋翼飛行器的基本構(gòu)成，不夠深入，還很欠缺。希望今后能在模糊控制和魯棒控制上多多學(xué)習(xí)研究。中國(guó)的無(wú)人機(jī)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)快的地步，如深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司做出許多無(wú)人機(jī)，差不多占據(jù)全球小型無(wú)人機(jī)約50%的市場(chǎng)份額。而中國(guó)傾轉(zhuǎn)旋翼飛行技術(shù)也在逐步發(fā)展，如國(guó)產(chǎn)的“藍(lán)鯨“四傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。

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