韋凱 王鵬

摘要：近年來隨著科技技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用及其廣泛，而現(xiàn)在的無人機(jī)，已經(jīng)趨向人工智能，趨向迷你化，多功能化。而四旋翼飛行器與其它飛行器相比，更具有易于操縱，穩(wěn)定性高，應(yīng)用性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此對于基于單片機(jī)的四旋翼飛行器的研究，將擴(kuò)大無人機(jī)的工作領(lǐng)域，并且可以降低造價(jià)，對于我國無人機(jī)方面做出一些貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；STM32單片機(jī)；APM飛控系統(tǒng)

一、前言

該四旋翼飛行器由四個(gè)旋翼作為動(dòng)力來源，產(chǎn)生升力，并且因?yàn)槠錇閷ΨQ結(jié)構(gòu)，使其具有其它無人機(jī)沒有的功能和特性。本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為飛行器的控制器，內(nèi)部由主控模塊、飛行模塊、光電感應(yīng)板、無刷電機(jī)等部分組成，用PID控制姿態(tài)角以及濾波等對姿態(tài)角進(jìn)行處理，測定后經(jīng)PID輸出相應(yīng)電機(jī)的PWM增減量，然后作用于陀螺儀，陀螺儀控制機(jī)身的飛行軌跡和姿態(tài)；通過對陀螺儀的校正反作用于機(jī)身實(shí)現(xiàn)定高及飛行等任務(wù)。

二、設(shè)計(jì)方案

電源及驅(qū)動(dòng)模塊：對于電源模塊，因?yàn)樗男盹w行器需要保持輕便，長久的使用，所以需要使用重量較輕，容量較大的鋰電池進(jìn)行供電，考慮到芯片工作所需的電壓，所以我們采用將11.4V的鋰電池進(jìn)行穩(wěn)壓后的3V狀態(tài)進(jìn)行工作。并且加入了600mA的保險(xiǎn)絲，保護(hù)芯片的安全。對于驅(qū)動(dòng)方面，我們采用無刷電機(jī)。

無刷電機(jī)具有使用壽命長，噪音低，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠錇樽钥卦囘\(yùn)行方式，所以不會(huì)產(chǎn)生震蕩和失步，更穩(wěn)定。

三、系統(tǒng)工作原理

軟件設(shè)計(jì)上由單片機(jī)STM32讀取傳感器信息，解算姿態(tài)角，以姿態(tài)角為被控制量融合遙控信息后，輸出到四個(gè)無刷電機(jī)以及兩個(gè)舵機(jī)以完成四軸飛行控制和云臺(tái)的穩(wěn)定補(bǔ)償。

四、姿態(tài)角計(jì)算

依據(jù)姿態(tài)解算方程和四元數(shù)，

PID的控制規(guī)律為下圖所示：

在此理論基礎(chǔ)上，即可通過矯正后的陀螺儀進(jìn)行分析后得到姿態(tài)角。我們可設(shè)出加速度，加速度的向量，以及陀螺儀的數(shù)據(jù)和陀螺儀向量。（均在X，Y，Z坐標(biāo)下進(jìn)行）然后再帶入四元數(shù)形式轉(zhuǎn)換矩陣，再根據(jù)余弦矩陣和歐拉角的定義，將地理加速度的向量應(yīng)用到陀螺儀上，機(jī)體對于陀螺儀是求導(dǎo)的關(guān)系，所以對陀螺儀進(jìn)行校正即對機(jī)體進(jìn)行校正，以此得到校正后的陀螺儀。再利用畢卡二階算法：

最后將四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角：

Q_ANGLE.pitch=asin（-2 * q1 * q3）+asin（2 * q0* q2）

Q_ANGLE.rool=atan2（2*q2*q3）+atan2（2*q0*q1，-2*q1*q1-2*q2*q2+1）

Q_ANGLE.yaw=atan2（2*q1*q2）+atan2（2*q0*q3，-2*q2*q2-2*q3*q3+1）

由此得到了飛行器的姿態(tài)角，并且可以準(zhǔn)確反映飛行器的運(yùn)行軌跡，驗(yàn)證其姿態(tài)角的標(biāo)準(zhǔn)性。

五、部分程序

void IMUupdate（double gx，double gy，double gz，doubleax，double ay，double az）

{

static float q0 = 1.0f，q1 = 0.0f，q2 = 0.0f，q3 = 0.0f；

double delta_2=0；

const static doubleFACTOR = 0.002；

doublenorm=0.0f；

double vx，vy，vz；

double ex，ey，ez；

double q0q0 = q0*q0；

double q0q1 = q0*q1；

double q0q2 = q0*q2；

double q1q1 = q1*q1；

double q1q3 = q1*q3；

double q2q2 = q2*q2；

double q2q3 = q2*q3；

double q3q3 = q3*q3；

norm = sqrt（ax*ax）+sqrt（ay*ay）+sqrt（az*az）； // 測量標(biāo)準(zhǔn)化 把加速度的三維向量轉(zhuǎn)為單位向量。

ax = ax /norm；

ay = ay / norm；

az = az / norm；

vx = 2*（q1q3 - q0q2）； // 估計(jì)方向的重力 vy = 2*（q0q1 + q2q3）；

vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3；

ex =（ay*vz - az*vy）；

ey =（az*vx - ax*vz）；

ez =（ax*vy - ay*vx）；

halfT=0.002000；

gx = gx + ex*FACTOR/halfT； //校正陀螺儀測量值 用叉積誤差來做PI修正陀螺零偏

gy = gy + ey*FACTOR/halfT；

gz = gz + ez*FACTOR/halfT；

delta_2=（2*halfT*gx）*（2*halfT*gx）+（2*halfT*gy）*（2*halfT*gy）+（2*halfT*gz）*（2*halfT*gz）；

q0 =（1-delta_2/8）*q0 +（-q1*gx - q2*gy - q3*gz）*halfT；// 整合四元數(shù)率 四元數(shù)微分方程 四元數(shù)更新算法

q1 =（1-delta_2/8）*q1 +（q0*gx*halfT）+（q2*gz*halfT）-（q3*gy*halfT）

q2 =（1-delta_2/8）*q2 +（q0*gy*halfT）+（q2*gx*halfT）-（q3*gz*halfT）

q3 =（1-delta_2/8）*q3 +（q0*gz*halfT）+（q2*gy*halfT）-（q3*gx*halfT）

norm = sqrt（q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3）；// 正常化四元

q0 = q0 / norm；

q1 = q1 / norm；

q2 = q2 / norm；

q3 = q3 / norm；// 化簡為歐拉角

Q_ANGLE.Pitch = asin（-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2）* 57.3；// pitch

Q_ANGLE.Roll = atan2（2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1，-2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1）* 57.3；// roll

Q_ANGLE.Yaw = -atan2（2 * q1 * q2 + 2 * q0 * q3，-2 * q2*q2 - 2 * q3 * q3 + 1）* 57.3；// yaw

}

六、總結(jié)

該由STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器，可以完成飛行，定高等基本功能，還可以進(jìn)行部分拓展，使其具有更多功能和應(yīng)用。并且該飛行器具有飛行穩(wěn)定，成本較低，可擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是在續(xù)航方面和精準(zhǔn)度方面，還需進(jìn)一步的深入和研究，使其具有更強(qiáng)的續(xù)航能力以及對飛行器的控制，將其應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域，低成本的無人機(jī)將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，推動(dòng)四旋翼飛行器事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李朝清.單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.8

（作者單位：學(xué)?？哲婎A(yù)警學(xué)院）