薛榮輝

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引 言

四旋翼飛行器作為一種垂直起降飛機，具有獨特的優(yōu)點，操作靈活、結(jié)構(gòu)簡單、載重能力強，在軍事、民用方面都發(fā)揮了極大的作用。其具體應(yīng)用特點可以歸納為如下5個方面：（1）空間狹窄或體積較小不方便人活動的地方；（2）可以與電子產(chǎn)品組合；（3）危險場所；（4）適合長時間工作；（5）結(jié)構(gòu)簡單，成本低[1-2]。

具有自主控制的四旋翼飛行器由于飛行器的設(shè)計需要多個領(lǐng)域共同完成，涉及到多個學(xué)科相交叉，所以對知識的應(yīng)用和處理的要求也就更高，制約了飛行器的發(fā)展。本設(shè)計飛控原理主要通過STM32采集傳感器和陀螺儀實時檢測信號，通過陀螺儀來獲取當(dāng)前的飛行姿態(tài)，實時信號與輸入信號作對比，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線端驅(qū)動模塊驅(qū)動飛控板進(jìn)行通信，實現(xiàn)飛行器的起飛、轉(zhuǎn)向、懸停、降落等控制[3]。

1 四旋翼總體設(shè)計

設(shè)計主要包括遙控板和飛控板的硬件設(shè)計和軟件控制設(shè)計。遙控板采用四相遙感，左手控制油門，右手控制飛行方向。遙控板上安裝了無線傳輸模塊，可以將STM32的指令通過其傳達(dá)給飛控板，從而實現(xiàn)飛行器的控制。飛控板由無線模塊、藍(lán)牙模塊、MPU6050傳感器模塊等組成，無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，傳感器進(jìn)行飛行器自身姿態(tài)的實時結(jié)算，再驅(qū)動四旋翼上的四個720空心杯使其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動整個飛行器的飛行。四旋翼飛行器系統(tǒng)的遙控端和飛控段的主控制器均為STM32F103，通過程序的設(shè)定使得ADC的外設(shè)采集數(shù)據(jù)，然后把采集到的數(shù)據(jù)通過2.4G無線通信模塊發(fā)送至飛控板。飛控板的主要任務(wù)就是通過STM32控制外設(shè)通過ADC采集數(shù)據(jù)，然后通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到飛控板中，再由MPU6050傳感器檢測到飛行器當(dāng)前的飛行姿態(tài)，并且解算出當(dāng)前的系統(tǒng)姿態(tài)，接著根據(jù)遙控板發(fā)送的目標(biāo)姿態(tài)和當(dāng)時的姿態(tài)差計算出PID電機增量，此處是一個反饋操作，最后驅(qū)動電機控制飛行器。飛控板設(shè)計流程如圖1所示，遙控板設(shè)計流程如圖2所示。

2 四軸飛行器運動控制系統(tǒng)的基本工作原理

飛行器的運動是由4個旋槳轉(zhuǎn)動實現(xiàn)槳葉的排列（見圖3），同一軸1、3電機運動方向，2、4電機運動方向要一致，兩組電機旋轉(zhuǎn)方向必須相反，氣流平穩(wěn)不會使飛機傾斜。通過左手遙控油門的大小從而控制飛行器的飛行高度。要實現(xiàn)飛行器的動作，必須通過4個電機的控制信號驅(qū)動電機配合轉(zhuǎn)動完成。

3 處理器選型及控制算法

本文采用STM32F103增強型處理器[4-6]。STM32具有價錢低、功能強大、容易上手等優(yōu)點。控制采用PID算法，P代表比例環(huán)節(jié)，I代表積分環(huán)節(jié)，D代表微分環(huán)節(jié)。圖4為PID設(shè)計框圖。

通過PID控制器實現(xiàn)無人機運動，本次設(shè)計分別建立俯仰、翻轉(zhuǎn)、偏航通道的傳遞函數(shù)，通過PID控制器降低無人機系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié) 論

本文主要介紹四旋翼無人機的構(gòu)成及控制，控制選用STM32F103控制器。通過4個傳感器檢測飛行器葉片的位置，與遙控器輸入信號對比，從而實現(xiàn)飛行器的控制。

圖1 飛控板軟件程序設(shè)計流程圖

圖2 遙控板軟件程序設(shè)計流程圖

圖3 四旋翼的六種運動

圖4 PID的模擬控制系統(tǒng)原理框圖