楊武帥 王俊杰 徐淑婉

摘 要：當(dāng)今社會(huì)，無人飛行器已經(jīng)日益成熟化普及化了。而相比于其他固定翼飛行器，直升機(jī)式飛行器，多旋翼飛行器由于其自身可以垂直起降，易于制作易于操控，可完成各種姿態(tài)飛行等特點(diǎn)，已經(jīng)像雨后春筍般涌現(xiàn)出來。而在多旋翼飛行器中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，四軸等偶數(shù)倍的多旋翼飛行器幾乎占據(jù)了100%的市場(chǎng)。這也是因?yàn)榕紨?shù)倍的多旋翼飛行器其易于制作，原理簡(jiǎn)單等原因。但在實(shí)際應(yīng)用中，如果對(duì)其沒有充分的優(yōu)化，其飛行時(shí)的抗干擾能力和適應(yīng)能力仍然不是非常理想。在此文中。我們將以四軸為代表仔細(xì)分析其工作原理，并嘗試對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：多軸飛行器；穩(wěn)態(tài)

作為飛機(jī)的一種，四軸飛行器因?yàn)樗乃慕怯兴膫€(gè)對(duì)稱的螺旋翼而得此名。四軸飛行器的體積一般都比較小，所以它操作簡(jiǎn)便而且靈活度高。可以進(jìn)行垂直起降，俯仰運(yùn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏航運(yùn)動(dòng)。除此之外高度可拓展性強(qiáng)價(jià)格便宜也是四軸飛行器的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)身上可以按照攝像頭，武器，等各種所需要的外設(shè)。在實(shí)際應(yīng)用中，在軍事方面四軸飛行器可用于代替士兵進(jìn)行偵查探測(cè)、攻擊、警戒等任務(wù)。四軸飛行器也將迎來一個(gè)更高速發(fā)展的時(shí)代。

一、四軸飛行器工作原理

由于多旋翼飛行器均是由電機(jī)作為動(dòng)力源，而電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。所以四軸飛行器將其電機(jī)放置在機(jī)身的四周個(gè)頂端，且都在同一高度平面上，四個(gè)旋翼其結(jié)構(gòu)完全相同，中間的空間用來安放飛控芯片和電子設(shè)備。在正常情況下四軸飛行器一條軸上的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，另一條軸的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，所以當(dāng)飛行器飛行時(shí)，自轉(zhuǎn)效應(yīng)將被抵消掉。而改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)四軸在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。四軸飛行器是一種六通道的飛行器，其力的輸入只有4個(gè)，卻有6種飛行狀態(tài)，所以它是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在以下分析中，箭頭的位置代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。在旋翼上方表示增大轉(zhuǎn)速，在旋翼下方則表示降低轉(zhuǎn)速。其具體的六種飛行姿態(tài)分析如下：

1.1垂直運(yùn)動(dòng)

同時(shí)增大四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提升升力，當(dāng)其產(chǎn)生的總的升力大于重力的時(shí)候，四軸飛行器即可離地上升；相反，同時(shí)減少四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器就會(huì)垂直下降。當(dāng)不受外界的干擾情況時(shí)，電機(jī)所產(chǎn)生的動(dòng)力與四軸飛行器的自重相等，其就能保持懸停。

1.2俯仰運(yùn)動(dòng)

電機(jī)1的速度增加，電機(jī)3的速度下降（其變化量相等）。電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速保持恒定。因?yàn)殡姍C(jī)1的升力增加，電機(jī)3的升力減少，所以升力不平衡則機(jī)身會(huì)繞y軸自轉(zhuǎn)。當(dāng)然，也可降低電機(jī)1的速度，提高電機(jī)3的速度，機(jī)身依然繞y軸旋轉(zhuǎn)。從而可實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。

1.3滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

與俯仰運(yùn)動(dòng)道理一樣，將電機(jī)2與電機(jī)4的速度大小朝相反的方向改變，電機(jī)1與電機(jī)3的速度仍然恒定，四軸即可圍繞x軸自轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.4偏航運(yùn)動(dòng)

四個(gè)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中由于受到空氣的阻力作用會(huì)形成自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了解決自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響，可將四個(gè)電機(jī)中的兩個(gè)正向旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)，并且相對(duì)方向上的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同。自轉(zhuǎn)的力的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，如果四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣，那么其產(chǎn)生的自轉(zhuǎn)的里之間就會(huì)相互平衡；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速有差異時(shí)，不平衡的自轉(zhuǎn)力就會(huì)引起四軸飛行器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。增加電機(jī)1和電機(jī)3的速度，其產(chǎn)生的反扭矩增大，電機(jī)2和電機(jī)4的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其產(chǎn)生的反扭矩變小。機(jī)身就會(huì)在反扭矩的力下圍繞z軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的方向與電機(jī)1、電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)方向相反。

1.5前后運(yùn)動(dòng)

四軸飛行器要進(jìn)行水平面中的前后左右的運(yùn)動(dòng)時(shí)，則飛行器要有水平面上的力。增加電機(jī)3的速度，降低電機(jī)1速度的速度，但不改變另外兩個(gè)電機(jī)的速度，則電機(jī)1與電機(jī)3的合力就會(huì)不平衡。參考圖b，飛行器開始會(huì)產(chǎn)生傾斜，從而旋翼產(chǎn)生的拉力會(huì)分解出水平上的力，以此來實(shí)現(xiàn)飛行器向前飛。向后飛行的情況與向前飛行相反。（四軸進(jìn)行俯仰和翻滾動(dòng)作的時(shí)候會(huì)沿x與y軸產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動(dòng)）。

1.6傾向運(yùn)動(dòng)

傾向飛行與前后運(yùn)動(dòng)的情形是相同的。所以不再多加解釋。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由PC機(jī)、航模遙控器、和四軸飛行器組成。研究人員通過PC機(jī)上的地面站軟件規(guī)劃巡航路線，并將巡航路徑數(shù)據(jù)下載到自主巡航控制模塊。飛行器在巡航過程中遇到難以處置問題時(shí)，可以切換到遙控模式以免發(fā)生危險(xiǎn)。四軸飛行器使用11.1V的鋰電池進(jìn)行供電，從GPS模塊和氣壓計(jì)模塊得到飛行器的具體坐標(biāo)及飛行高度，通過3DR模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保證了飛行器穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上的地面站監(jiān)控軟件上，這樣便可實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。四軸飛行器的控制系統(tǒng)由STM32F407主控模塊、GPS模塊、氣壓計(jì)模塊、磁力傳感器模塊、控制選擇器和APM飛控構(gòu)成，主控模塊將從GPS模塊、氣壓計(jì)模塊和磁力傳感器模塊獲得無人機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)信息，然后通過控制算法將控制信號(hào)傳遞到APM飛控，最終實(shí)現(xiàn)飛行器的自主巡航。

2.1自動(dòng)飛控系統(tǒng)

自主飛控系統(tǒng)功能是在無人操控的狀態(tài)下，控制飛行器在預(yù)設(shè)的坐標(biāo)點(diǎn)之間巡航。要完成這個(gè)功能就需要多個(gè)模塊的互相配合，才能完成給定的任務(wù)。系統(tǒng)采用高精度GPS模塊通過串口獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在巡航過程中系統(tǒng)需要不斷調(diào)整飛行姿態(tài)，所以利用氣壓計(jì)采集飛行器的飛行高度，用磁力傳感器獲得飛行器的偏航角，這兩個(gè)模塊都是采用I2C驅(qū)動(dòng)程序與主控芯片進(jìn)行通信。

2.2STM32F407主控模塊

因?yàn)榭刂菩疽?jì)算偏航角并進(jìn)行PID控制，所以對(duì)主控芯片的運(yùn)行速度要求比較高，通過查詢資料最終選擇STM32F407為主控芯片。STM32F407系列基于最新的ARMCortexM4內(nèi)核，在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號(hào)處理功能，并提高了運(yùn)行速度；ST-M32F405x集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CRC計(jì)算單元和模擬真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)。

2.3控制選擇器

控制選擇器由CD4053芯片、主控模塊以及必須元器件構(gòu)成。遙控器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，通過接收機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)并傳輸?shù)街骺啬K，單片機(jī)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)PWM信號(hào)高電平的檢測(cè)，得到PWM信號(hào)的占空比。當(dāng)占空比大于0.90時(shí)單片機(jī)輸出高電平，選通CD4053芯片的x通道關(guān)閉y通道，從而實(shí)現(xiàn)STM32F407核心控制器對(duì)四軸飛行器的控制；當(dāng)占空比小于0.5時(shí)單片機(jī)輸出低電平，選通CD4053芯片的y通道關(guān)閉x通道，從而實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)四軸飛行器的控制。

2.4GPS模塊

四軸飛行器實(shí)現(xiàn)自主巡航需要高精度的GPS模塊提供經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，在考察了市面上的定位芯片后，我們選用的是NEO-7MGPS模塊，它是一個(gè)低功耗主芯片的超小外型GPS接收模組，該產(chǎn)品采用了新一代U-blox芯片，超高靈敏度，具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求，串口輸出數(shù)據(jù)用戶使用方便，而且成本較低。

2.5氣壓計(jì)模塊氣壓計(jì)模塊用來測(cè)量飛行器的高度，我們選用的是MS5611-o1BA氣壓傳感器，它是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I?C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10cm，該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號(hào)滯后。

三、結(jié)論

本文說明了四軸飛行器自主巡航系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。運(yùn)用模塊化的硬件電路設(shè)計(jì)方式，使得本系統(tǒng)具有出色的再開發(fā)性和外擴(kuò)性。選用STM32F407為主控制器，具有高效的計(jì)算能力及多個(gè)外設(shè)接口，為四軸提供了一個(gè)強(qiáng)大的大腦，羅盤HMC588L，氣壓計(jì)MS5611，和NEO-7MGPS，保證飛行器穩(wěn)定飛行；預(yù)設(shè)許多接口，以便再次開發(fā)與拓展。本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器具有編程步驟容易、便利操縱，穩(wěn)固性好、拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，成功完成四軸飛行器固定高度下的自主巡航。

基金項(xiàng)目：遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201810146024。

作者簡(jiǎn)介

楊武帥（1997-），男，吉林長(zhǎng)春人，本科，研究方向，飛行器數(shù)據(jù)采集

（作者單位：遼寧科技大學(xué)）