韓梅 陽俊 曹沖 張小春 寇劍峰 湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院

引言：近年來，隨著新材料、新能源、以及飛行控制技術(shù)、微電子技術(shù)、微慣導(dǎo)技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展使得四旋翼飛行器在無人機(jī)領(lǐng)域獲得新生。近年全球無人機(jī)市場迎來廣泛關(guān)注，大疆創(chuàng)新產(chǎn)品走向前臺(tái)，國內(nèi)極飛科技、零度智控以及國外3D Robotics等無人機(jī)公司產(chǎn)品和融資動(dòng)作不斷。如何將它變得越來越智能將是我們不懈的追求，而現(xiàn)今四旋翼飛行器多依賴于手動(dòng)遙控，我們思考通過自主避障與GPS導(dǎo)航來解決其自主飛行問題，令其變得更加智能，更符合現(xiàn)代發(fā)展潮流。

1 硬件系統(tǒng)

飛行控制板采用STM32F103C8T6為主控芯片，集成MPU6050三軸陀螺儀和加速度計(jì)，添加藍(lán)牙模塊，可通過安卓手機(jī)測試。其余一些必須配件如下：朗宇無刷電機(jī)馬達(dá)，980KV；天地飛2.4G，6通道接收機(jī)；好盈天行者，30A無刷電調(diào)；蝎子3S鋰電池，11.1V 2200mah 30C。

1.1 MPU6050傳感器

MPU-6050 它集成了三軸MEMS陀螺儀，三軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力傳感器。擴(kuò)展之后就可以通過其I2C 或SPI 接口輸出一個(gè)9 軸的信號（SPI 接口僅在MPU-6000 可用）。

1.2 GPS模塊

四旋翼飛行器添加了GPS模塊,為了提高飛行器精度和實(shí)現(xiàn)地圖航線規(guī)劃顯示,同時(shí)GPS與三軸磁強(qiáng)計(jì)配合,能完成GPS HOME(自動(dòng)返航)功能。本系統(tǒng)采用的GY-GPS6MV2是是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無源陶瓷天線，并自帶可充電后備電池（以支持溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時(shí)左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存）。

2 軟件系統(tǒng)

MWC是Multiwii Copter的縮寫，Multiwii是控制多旋翼航模的開源固件。Multiwii最初由法國航模愛好者Alex創(chuàng)立，用于控制他自己做的三軸飛行器。后經(jīng)改造擴(kuò)展，現(xiàn)在Multiwii不僅僅支持三軸飛行器、四軸、六軸等多軸系列，還支持固定翼和直升機(jī)等航模。本系統(tǒng)采用Multiwii開源固件進(jìn)行開發(fā)。

2.1 算法淺析

飛控主要算法是濾波算法、姿態(tài)算法和PID算法。濾波算法主要是將獲取到的陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲及融合，得出正確的角度數(shù)據(jù)。PID算法就是用來控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來糾正歐拉角，從而使機(jī)身保持平穩(wěn)。

3 系統(tǒng)測試及分析

飛行器的飛行測試主要測試的是飛行器能否自主起飛和在空中保持平穩(wěn)的飛行姿態(tài),最后可以實(shí)現(xiàn)飛行的自主降落。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飛行器的姿態(tài)控制，其俯仰角度與橫滾角度的控制誤差可以保持在5°以內(nèi)，但能通過飛控自動(dòng)調(diào)節(jié)回來；對于位置位移的控制，水平高度誤差可以保持1m以內(nèi)，但是垂直位移則出現(xiàn)2～5m的誤差。經(jīng)分析，氣壓計(jì)定高在低空效果不佳，其溫漂導(dǎo)致測量精度與準(zhǔn)確度大大下降，使得控制器性能大大降低；位置位移的控制，垂直高度由空氣高度傳感器測量，可以達(dá)到比較高的精確度。

4 總結(jié)

本文作為四旋翼飛行器創(chuàng)新項(xiàng)目的一部分,首先對四旋翼飛行器飛行原理進(jìn)行研究。在此的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)飛行控制及GPS返航和驗(yàn)證它的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本系統(tǒng)對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制算法做了研究,在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)飛行器自主的姿態(tài)控制和增穩(wěn)，并完成了自主返回目的地的目標(biāo)。

[1]王守亮;基于藍(lán)牙多旋翼微飛行器通信與控制的研究與實(shí)現(xiàn)[D],碩士學(xué)位論文,上海,上海交通大學(xué),2005.

[2]王倩.基于GIS的電子導(dǎo)航圖和任務(wù)規(guī)劃[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士論文.2007.3

[3]王東平.基于嵌入式的四軸飛行器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].泉州:華僑大學(xué),2013.