陳昕迪 陳亦欣 柳然

【摘 要】四軸無(wú)人機(jī)是一種可垂直起降的小型飛行器設(shè)備，屬于多軸飛行器的一種。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有著較好的穩(wěn)定性，易于設(shè)計(jì)和搭建。本文使用stm32控制器與相應(yīng)傳感器結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套四軸無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】stm32；多軸無(wú)人機(jī)；X型

一、四軸無(wú)人機(jī)的基本原理

1.四軸的結(jié)構(gòu)與飛行原理

由于四軸無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)上對(duì)稱的特點(diǎn)，為區(qū)分無(wú)人機(jī)飛行方向的前端，四軸無(wú)人機(jī)有十字型和X型兩種設(shè)計(jì)方法。這里，我們?yōu)榱怂O(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)的實(shí)用性和后期研究，本次設(shè)計(jì)選擇了X型的設(shè)計(jì)。

和傳統(tǒng)飛行器類似，四軸無(wú)人機(jī)也存在著俯仰、翻滾等飛行姿態(tài)，但它的基本的飛行是靠四個(gè)末端的旋翼產(chǎn)生升力維持的。在依靠旋翼提供升力的飛行器中，由于旋翼旋轉(zhuǎn)會(huì)給飛行器本身帶來(lái)反槳矩，所以像是直升機(jī)一類的飛行器需要尾翼上的旋翼來(lái)平衡這一力。但四軸無(wú)人機(jī)不然，其四個(gè)旋翼高度對(duì)稱，并保持在同一水平面，對(duì)稱的旋翼兩兩旋轉(zhuǎn)方向相同，并與另外一對(duì)旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反。這樣一來(lái)，就有了一對(duì)正槳和反槳之分，兩者產(chǎn)生的反槳矩相互制約，因此達(dá)到了維持無(wú)人機(jī)穩(wěn)定的效果。

2.無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制原理

依靠四個(gè)軸旋翼轉(zhuǎn)速變化帶來(lái)升力大小的改變，當(dāng)旋翼產(chǎn)生的升力大于無(wú)人機(jī)的重力時(shí)無(wú)人機(jī)就能完成升高動(dòng)作，而小于無(wú)人機(jī)重力時(shí)就可以完成下降的動(dòng)作。

飛行時(shí)姿態(tài)的控制則是通過(guò)控制四個(gè)軸方向上傾角的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于四軸無(wú)人機(jī)的一對(duì)正反槳而言，它們相互制衡保持平衡，但每一對(duì)槳本身也有著水平上的配合，當(dāng)其中一個(gè)槳提供更大的升力時(shí)，無(wú)人機(jī)就會(huì)在這個(gè)方向上產(chǎn)生一定的傾角，升力越大傾角越大，使飛行器產(chǎn)生姿態(tài)上的改變。這時(shí)，同時(shí)增大四個(gè)旋翼的升力，就能使無(wú)人機(jī)產(chǎn)生在該傾角方向上的運(yùn)動(dòng)。

由于反槳矩的存在，當(dāng)我們改變正槳或反槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，正反槳的平衡被打破，無(wú)人機(jī)就會(huì)向相應(yīng)力矩差的方向旋轉(zhuǎn)，改變了飛行的方向，做出偏航運(yùn)動(dòng)。

二、四軸無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

1.簡(jiǎn)介

本次無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)主要基于已有的模塊化系統(tǒng)，由控制器、傳感器、動(dòng)力部分組成。采用X型結(jié)構(gòu)，有利于直觀的空著和飛行。使用組件構(gòu)成的模式也便于后期增加其它功能，做更深入的研究。

2.控制器

控制器設(shè)計(jì)采用stm32f407芯片，其較高的主頻能滿足飛行控制運(yùn)算所需的要求，同時(shí)又有著低功耗、接口通用、開(kāi)發(fā)效率較高等特點(diǎn)，有著較多的開(kāi)發(fā)文檔和資源，利于后期開(kāi)發(fā)和測(cè)試，相較于其他架構(gòu)的控制器芯片有著較高的性價(jià)比。在設(shè)計(jì)中，我們利用該控制器進(jìn)行姿態(tài)解算，結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到四元數(shù)，繼而轉(zhuǎn)換為歐拉角作為PID的輸入。

3.控制算法設(shè)計(jì)

實(shí)際飛行環(huán)境中，各旋翼的動(dòng)力輸出狀態(tài)和外界影響較為復(fù)雜，控制器輸出的控制信號(hào)并不能毫無(wú)差錯(cuò)的反應(yīng)到無(wú)人機(jī)姿態(tài)上。因此，四軸無(wú)人機(jī)還需要利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其姿態(tài)信息。繼而通過(guò)控制器處理傳感器提供的數(shù)據(jù)，相對(duì)應(yīng)的修正控制信號(hào)，來(lái)保證無(wú)人機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定。

我們這次選用的MPU6050傳感器就是一個(gè)集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器的集成傳感器。它通過(guò)測(cè)量角速度、加速度，將其積分，由此得到無(wú)人機(jī)姿態(tài)角和速度。傳感器在得到這些狀態(tài)信息后將信息提供給我們選擇的控制器，交由控制器進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)解算。

由于MEMS陀螺儀本身精度的問(wèn)題，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其運(yùn)算得出的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。而MEMS加速度計(jì)也會(huì)受到環(huán)境本身的影響。單獨(dú)使用某一部分的數(shù)據(jù)都會(huì)造成最終實(shí)際結(jié)果的偏差。因此，為了結(jié)合多個(gè)數(shù)據(jù)，我們使用了四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法作為融合算法，對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)做整合。使用互補(bǔ)濾波器將陀螺儀輸出的信號(hào)做高通濾波，而對(duì)加速度計(jì)做低通濾波，這一過(guò)程中的四元數(shù)矩陣就是通過(guò)上述過(guò)程中糾正過(guò)的姿態(tài)角的來(lái)的。最后將數(shù)據(jù)裝換成歐拉角來(lái)描述無(wú)人機(jī)姿態(tài)。通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程來(lái)糾正偏差，提高獲取姿態(tài)信息的精度。保證無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定。

4.動(dòng)力系統(tǒng)

基于四軸無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定的的需要，為了及時(shí)反饋控制器的控制信號(hào)，其對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中旋翼馬達(dá)轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度有著較高的要求。因此，我們選擇了靠電子調(diào)速器控制的無(wú)刷直流電機(jī)，它有著響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速變化范圍大的特點(diǎn)。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電調(diào)輸出的pwm占空比來(lái)調(diào)整。

三、總結(jié)

本文圍繞四軸無(wú)人機(jī)的原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)了基于stm32控制器的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)各組件工作正常，實(shí)現(xiàn)了四軸無(wú)人機(jī)的懸空、垂直升降、前后運(yùn)動(dòng)，翻滾偏航等基本動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)降低了人為控制中的無(wú)人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)的問(wèn)題，提高了無(wú)人機(jī)使用的可靠性。也為后續(xù)在stm32無(wú)人機(jī)平臺(tái)上增加新功能與研究打下了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 謝龍，韓文波.四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2015（1）：48-53.

[2] 祁芳超.基于PIXHAWK的小型固定翼的飛行控制研究[D]. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2017.