羅莉 何學(xué)良 趙文樂 陳相余 黃嘉芯

（廣東第二師范學(xué)院物理與信息工程系 廣東省廣州市 510303）

隨著無刷電機(jī)、單片機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和傳感器技術(shù)的日益成熟，四旋翼飛行器逐漸趨向于小型化、智能化發(fā)展，可應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，并逐漸成為國內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)。外觀結(jié)構(gòu)看似簡單的四旋翼飛行器卻蘊(yùn)含著多種技術(shù)難題，其關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向也得到了研究人員的廣泛關(guān)注，各種技術(shù)也逐漸被攻破。四旋翼飛行器也因其靈活性高、易操控等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、快遞運(yùn)輸、電力巡檢等多個領(lǐng)域，具有極高的研究價(jià)值，目前四旋翼飛行器技術(shù)朝著智能飛行、碰撞規(guī)避等方向發(fā)展，也將被投入到更廣泛的領(lǐng)域。

1 四旋翼飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含有十字形支架、控制計(jì)算機(jī)、電機(jī)模組、旋翼等部分，其中十字形支架作為飛行器的整體支撐，四個旋翼分為兩組分布在支架的四端，相對的兩個電機(jī)為一組，同組電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相同，兩組電機(jī)互為反方向轉(zhuǎn)動，此時旋翼旋轉(zhuǎn)時與空氣阻力產(chǎn)生的反作用力矩相互抵消，在控制計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)飛行器的平衡飛行。

飛行器通過電機(jī)帶動旋翼轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生不同的升力和力矩，控制每個電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)和位置的控制。從而實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、橫滾運(yùn)動和偏航運(yùn)動。

（1）垂直運(yùn)動：當(dāng)飛行器在空中自穩(wěn)飛行后，四個旋翼間產(chǎn)生的扭矩相互抵消，并且升力等于飛行器自身的重力，這時如果四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時增加，旋翼產(chǎn)生的克服自身重力的升力增大，此時飛行器上升；同理，當(dāng)轉(zhuǎn)速同時降低時，飛行器則垂直下降。因此通過同時增大或降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)飛行器的垂直運(yùn)動。

圖1：四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)圖

圖2：硬件系統(tǒng)框圖

（2）俯仰運(yùn)動和橫滾運(yùn)動：當(dāng)飛行器在空中自穩(wěn)飛行后，在保持一組同方向電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，另一組兩個電機(jī)通過調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速差,使扭矩失去平衡來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。1、3 電機(jī)產(chǎn)生的升力差使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動； 2、4 電機(jī)的升力差則使機(jī)身繞x 軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的橫滾運(yùn)動。

（3）偏航運(yùn)動：當(dāng)飛行器在空中自穩(wěn)飛行后，當(dāng)增大一組同方向電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時，保持不變或降低另一組同方向電機(jī)的轉(zhuǎn)速，此時作用在機(jī)身上的扭矩?zé)o法抵消，扭矩平衡被打破，使飛行器繞 z 軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動。當(dāng)1、3 電機(jī)轉(zhuǎn)速增加或2、4電機(jī)轉(zhuǎn)速減小時，實(shí)現(xiàn)右偏航；反之，當(dāng)2、4 電機(jī)轉(zhuǎn)速增加或1、3 電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，實(shí)現(xiàn)左偏航。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由主控制器、姿態(tài)信息采集模塊、電子調(diào)速器模塊、通信模塊、電源管理模塊構(gòu)成，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。主控制器通過姿態(tài)信息采集模塊獲取到加速度、陀螺儀、電子羅盤、氣壓等原始飛行數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理、計(jì)算后，結(jié)合遙控器發(fā)出的姿態(tài)控制要求，得到對應(yīng)的控制信號，通過電子調(diào)速器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的目的。

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊是整個飛行系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)的采集、對飛行姿態(tài)進(jìn)行解析、通過控制算法發(fā)出趨近目標(biāo)姿態(tài)的控制指令等。本設(shè)計(jì)采用德州儀器公司的Tiva C 系列芯片TM4C123G 作為主控芯片，該芯片基于Cortex-M4F 內(nèi)核，擁有80MНz 的主頻，具有高效的數(shù)據(jù)處理能力和浮點(diǎn)運(yùn)算能力，提供豐富的可編程接口和通信接口，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

2.2 姿態(tài)信息采集模塊

姿態(tài)信息采集模塊作為飛行器的感知器官，由加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等傳感器組成，發(fā)揮著實(shí)時監(jiān)測飛行器姿態(tài)信息的作用。本設(shè)計(jì)采用了將加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)結(jié)合在一起的9 軸傳感器MPU9250 和氣壓計(jì)BMP280 作為姿態(tài)信息采集模塊，其連接電路如圖3 所示。

使用9 軸傳感器MPU9250 可以達(dá)到簡化電路設(shè)計(jì)，減輕飛行器重量的目的，其內(nèi)部由兩部分組成，一部分是3 軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀，精度高達(dá)16 位數(shù)字輸出，可以進(jìn)行精密的慢速或者快速運(yùn)動跟蹤，另一部分是AKM 公司的3 軸磁力計(jì)AK8963，測量范圍為±4800uT,通過把得到的磁場變化數(shù)值與加速度值、陀螺儀的數(shù)值相結(jié)合，可以計(jì)算得到飛行器當(dāng)前的俯仰角、偏航角和橫滾角，從而確定飛行器的姿態(tài)。MPU9250 與控制器使用I2C 進(jìn)行連接，而氣壓傳感器利用MPU9250 的輔助I2C 接口與控制器進(jìn)行通信，為飛行器提供氣壓高度數(shù)據(jù)。

2.3 電子調(diào)速器模塊

無刷電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、聲音小、壽命長和運(yùn)行時無火花等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用無刷電機(jī)作為飛行器的動力來源，電機(jī)KV 值可以是1000 到2400 之間，由于控制器輸出的PWM 電壓最高不超過3.3V，無法提供足夠的能量驅(qū)動無刷電機(jī)，因此需要使用20A 的電子調(diào)速器，借助功率管驅(qū)動無刷電機(jī)，通過控制器輸出PWM 波形到電子調(diào)速器達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2.4 電源管理模塊

飛行器使用航模鋰電池提供能量來源，單節(jié)電池電壓為3.7V，通常會將多節(jié)電池串聯(lián)起來作為電池模組使用，為使本系統(tǒng)電池選用靈活和能適應(yīng)更多的電池模組，本設(shè)計(jì)選用了TPS5430 芯片和MIC5219 芯片作為降壓、穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供5V 和3.3V 電壓，因此2-6 節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池模組都能很好的適應(yīng)本系統(tǒng)，其電路圖如圖4 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

飛行器的姿態(tài)包括開啟飛行器、起飛、降落、偏航等都可以由無線遙控器進(jìn)行控制，系統(tǒng)啟動后，首先對系統(tǒng)的傳感器等部分進(jìn)行初始化，自檢通過后，則采集當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時獲取遙控器發(fā)出的飛行信號，使用基于四元數(shù)和歐拉角的姿態(tài)解算以及互補(bǔ)濾波算法將傳感器數(shù)據(jù)解算成飛行器的姿態(tài)，使用PID 算法得到輸出姿態(tài)控制量，以PWM 波控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到飛行器姿態(tài)控制的目的，程序流程圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)兼容匿名科創(chuàng)地面站軟件，利用上位機(jī)軟件可以查看飛行器的姿態(tài)、顯示相關(guān)數(shù)據(jù)以及進(jìn)行PID 調(diào)試，飛行器狀態(tài)的顯示包括有YAW（偏航角）、PITCН（俯仰角）和ROLL（翻滾角）、傳感器原始數(shù)據(jù)和電機(jī)輸出等信息，并可以讀取顯示當(dāng)前的PID 參數(shù)，將修改設(shè)定好的PID 參數(shù)寫入到控制器中。通過系統(tǒng)測試，飛行器飛行效果良好，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，滿足飛行器一般的使用要求。

圖3：傳感器電路圖

圖4：電源電路圖

5 總結(jié)

本文主要闡述了一款基于TI 公司的TM4C123G 芯片的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)，依據(jù)四軸飛行器的飛行原理，介紹了主要的硬件電路設(shè)計(jì)和對軟件流程設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單介紹，通過測試證明，飛行器飛行效果良好，系統(tǒng)可靠性高，有一定的抗干擾能力，具有高性能、低功耗、處理速度快等特點(diǎn)。本控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)飛行器的基本功能外還預(yù)留了多個接口，可用于連接光流、視覺模塊、定位模塊等，使飛行器擁有更多額外的功能，這讓飛行器飛行更穩(wěn)定的同時也讓設(shè)計(jì)變得更有趣。

圖5：程序流程圖