西北民族大學(xué) 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

基于手機(jī)通訊的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué) 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

針對(duì)四旋翼飛行器，利用手機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器姿態(tài)的簡(jiǎn)單控制。四旋翼飛行器選用STM32F407VGT6作為控制芯片，并且利用MS5611氣壓傳感器和US-100超聲波模塊對(duì)飛行器的高度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。四旋翼飛行器使用藍(lán)牙進(jìn)行通信，再通過PID算法控制飛行器狀態(tài)。

四旋翼飛行器；藍(lán)牙；PID

近幾年人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，適用于四旋翼無人機(jī)的芯片也越來越多，四旋翼飛行器因具有升降、懸停、前后、左右等基本功能，在外加各種模塊之后在拍照、資源勘探、森林救災(zāi)、新聞報(bào)道等領(lǐng)域的表現(xiàn)超然卓絕。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架

如圖1所示，四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱飛控，飛控是無人機(jī)的核心，硬件主要有中央處理器（MCU），氣壓計(jì)、三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)等傳感器，以及各種輸入輸出控制電路組成。

在基于MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）技術(shù)的陀螺和加速度計(jì)中，陀螺儀測(cè)量物體沿某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率，加速度計(jì)測(cè)量物體的重力加速度分量。MCU接受并處理遙控指令和傳感器輸入信號(hào)，經(jīng)過快速復(fù)雜的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)調(diào)控，同時(shí)用戶可通過手機(jī)APP以藍(lán)牙通訊的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的飛行控制。

四旋翼無人機(jī)由飛行控制模塊、對(duì)稱交叉分布的四個(gè)電機(jī)、電池模塊、機(jī)架以及與電機(jī)對(duì)應(yīng)的正反槳葉組成。飛行控制模塊位于機(jī)身中央，四個(gè)電機(jī)分別控制四個(gè)旋翼構(gòu)成無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，通過對(duì)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制改變電機(jī)所提供的扭矩，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)在空間六自由度運(yùn)動(dòng)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 飛行原理

四旋翼飛行器選用型號(hào)相同的電機(jī)，按照四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可分為順時(shí)針電機(jī)和逆時(shí)針電機(jī)，順時(shí)針電機(jī)和逆時(shí)針電機(jī)交叉分布，旋翼的旋轉(zhuǎn)方向與其所在位置有關(guān)，相鄰方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的，同一對(duì)角線的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，同時(shí)正轉(zhuǎn)電機(jī)搭配的正面槳葉與反轉(zhuǎn)電機(jī)搭配的反面槳葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的推力確保了飛行系統(tǒng)的扭矩平衡，保證四旋翼飛行器不會(huì)產(chǎn)生自旋現(xiàn)象。

2.2 器件選型

MCU主要采集傳感器的信息并實(shí)時(shí)解算機(jī)體的姿態(tài)角，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以及傳輸飛行數(shù)據(jù)，飛控芯片選用STM32F407VGT6，該芯片工作頻率達(dá)到了168MHZ，集成了高速嵌入式存儲(chǔ)器，閃存高達(dá) 1MB，SRAM 高達(dá) 192KB，同時(shí)擁有非常豐富的可擴(kuò)展的外圍擴(kuò)展接口[1]，可滿足目前絕大部分市場(chǎng)性能要求。

3.飛行姿態(tài)控制

3.1 飛行姿態(tài)的表示

在飛行器的控制過程中，飛行器的姿態(tài)檢測(cè)是不可或缺的部分，位于三維坐標(biāo)中的三個(gè)姿態(tài)角是不能通過現(xiàn)有傳感裝置直接測(cè)量的，所以只能通過陀螺儀、加速度計(jì)等測(cè)量出實(shí)時(shí)角速度，再將將速度在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分，便能得到運(yùn)動(dòng)的角位移，再將這個(gè)角位移在三個(gè)維度上分別積分，就能得到飛行器在三維空間中的航向角、橫滾角和俯仰角。而飛行器的姿態(tài)便可用得到的橫滾角、航向角以及俯仰角來準(zhǔn)確描述。

圖2 飛行姿態(tài)示意圖

如圖2所示，用航向角來描述飛行器在平面上的自旋角度，用俯仰角來描述飛行器前后方向在同一平面的高低，橫而滾角則用來描述飛行器左右方向在同一平面的高低。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件應(yīng)用JAVA語言，采用eclipse作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將該設(shè)計(jì)移植到安卓5.0版本的手機(jī)上，該設(shè)計(jì)一共分為兩層，分別為：連接飛控（查找與匹配藍(lán)牙）、控制飛行（運(yùn)用安卓重力感應(yīng)和電子羅盤對(duì)飛行的航向控制以及姿態(tài)比例控制）、飛控校準(zhǔn)（三軸陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)校準(zhǔn)）、電調(diào)校準(zhǔn)（對(duì)飛行器的橫滾角、俯仰角、航向角、油門進(jìn)行校準(zhǔn)）以及飛控參數(shù)設(shè)置（6組PID參數(shù)的讀取和寫入）。

3.3 姿態(tài)解算

姿態(tài)解算的目的是將陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)測(cè)量的姿態(tài)信息解算成無人機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)角，并作為系統(tǒng)的反饋量。陀螺儀直接測(cè)量無人機(jī)的角速率，對(duì)時(shí)間積分后得到飛行姿態(tài)角，短時(shí)間內(nèi)其測(cè)量精度高，但由于噪聲等影響，積分誤差不斷累積，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)導(dǎo)致其低頻干擾和漂移。[2]

圖3 姿態(tài)解算流程圖

在陀螺儀校準(zhǔn)的方法上一般有兩種，一種是互補(bǔ)濾波，另一種方法便是本系統(tǒng)用到的卡爾曼濾波，但是互補(bǔ)濾波在最佳PI參數(shù)的選取上會(huì)存在困難，同時(shí)容易使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的延時(shí)。反觀利用卡爾曼濾波不僅可以克服互補(bǔ)濾波的缺點(diǎn)，而且還能在姿態(tài)角發(fā)生突變時(shí)，卡爾曼濾波器能快速感知這種變化并迅速做出調(diào)整。

離散卡爾曼濾波器遞推算法如下：

其中，矩陣Q為噪聲W（K）的協(xié)方差，R為噪聲v（k）的協(xié)方差。

3.4 算法實(shí)現(xiàn)

PID 控制：調(diào)節(jié)器的輸出是輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，按照PID 的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果用以控制輸出。

將PID算法離散化

Kp為比例系數(shù)，PID算法里的動(dòng)態(tài)參數(shù)，反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)指令的響應(yīng)速度快慢；

Ti為積分系數(shù)，PID算法里的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，用于消除靜差，反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能；

Td為微分系數(shù)，用于跟蹤超調(diào)量保證系統(tǒng)無反復(fù)振蕩現(xiàn)象，使得系統(tǒng)具有自適應(yīng)的特性。

4.總結(jié)語

依據(jù)飛行器飛行原理設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件以及與系統(tǒng)搭配的軟件，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與飛行器之間通信，進(jìn)而對(duì)其飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，控制飛行器前后左右上下六個(gè)維度的平穩(wěn)飛行，同時(shí)如果再加上GPS模塊，可實(shí)現(xiàn)飛行器的定點(diǎn)懸停。

[1]廖義奎編著,ARM CORTEX-M4嵌入式實(shí)戰(zhàn)開發(fā)精解:基于STM32F4[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2013.07:13.

[2]廖懿華,張鐵民,廖貽泳.基于模糊——比例積分偏差修正的多旋翼飛行器姿態(tài)測(cè)算系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(20):19-27.

Design of Quadrocopter Based on Mobile Communication

Aiming at the quadrotors，the control of aircraft posture is realized by using cellular communication.The four-rotor aircraft USES STM32F407VGT6 as the control chip and USES the MS5611 pressure sensor and the us-100 ultrasonic module to collect the aircraft in real time.The quadrotors use bluetooth to communicate and control the vehicle state through the PID algorithm.

four rotor aircraft；Bluetooth；The PID

李德軍（1995—），重慶萬州人。

張丕旺（1995—），湖北武穴人。

彭驛猛（1995—），湖南張家界人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學(xué)。

魏曉娟（1988—），甘肅蘭州人，碩士，講師，主要研究方向：控制工程。