基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飛行器設計

高光耀 馬文來 劉安

摘要：本文基于WIFI無線傳輸技術，通過建立四旋翼飛行器的空氣動力數學模型，結合實際需求分析，通過單片機總控，各功能模塊有機整合，優化軟硬件設計，完成最終制作調試，實現飛行器的自由巡航、懸停、降落和視頻探測等功能，達到了預期設計目標。

關鍵詞：WIFI;四旋翼;飛行器

1.引言

四旋翼飛行器是一種可以實現垂直起降的旋翼式無人飛行器，具有操控簡單，體積小，機動性強，啟動快，方便拍攝等優點，能及時地將諸如地震、礦難等特殊現場第一手資料傳送回控制中心，幫助我們了解現場狀況并作出正確判斷[1]。

國外對旋翼式飛行器的研究較多且較深入，我國在該領域的研究起步較晚，成果相對較弱，并且側重點有所不同，有的側重數學建模，有的側重自動控制與研發等等[2]。

本文于是針對自然災害等特殊現場設計了一種基于WIFI的智能多功能四旋翼飛行器，采用獨立控制的四旋翼，升力更大，同時可狹小空間內起降，還具有機械結構簡單、機動靈活、操控性高及成本低等優勢。

2.建立動力學模型

2.1 坐標變換

四旋翼飛行器的四個旋翼都高速旋轉，其所受的空氣動力比較復雜，要建立非常準確的空氣動力學模型比較困難，為了簡化四旋翼飛行器的數學模型，可忽略其彈性形變[3]。為了相對準確的描述飛行器運動狀態，建立三維數學坐標系，也叫機體坐標系。OX軸指向地平面方向，由右手定則確定OY軸和OZ軸的方向。用原點O表示飛行器的重心，則OX軸指向飛行器的前方，OY軸指向飛行器的右方，OZ軸指向飛行器的上方。地面三維坐標系與機體坐標系之間存在三個歐拉角：偏航角ψ（沿Z軸方向）、滾動角φ（沿X軸方向）和俯仰角q（沿Y軸方向）。兩個坐標系之間的關系如下：

，，（1）

可進一步的轉換矩陣得：

（2）

經計算可得如下坐標轉換公式：

（3）

經過坐標轉換后對其進行數學建模則相對簡單。

2.2 建立數學模型

該飛行器在機體坐標系下的受力可表示為[4]：

（4）

轉移到地面坐標系上的線位移運動方程可表示為：

（5）

因該飛行器飛行速度相對較低，則空氣阻力系數可以忽略不計。由歐拉方程可得角度運動方程可表示為：

（6）

解方程化簡可得：

（7）

為計算方便，做以下定義：

（8）

將公式（8）與（2）合并即得四旋翼飛行器的運動方程即其數學模型：

（9）

3.硬件設計

各部分的電路設計包括：主控模塊、驅動模塊、通信模塊、電源模塊等。

3.1 主控模塊

主控電路是以STC89S52為核心組成，可通過編程控制外圍各種電路和元器件的工作。STC89S52具的FLASH存儲器、RAM，定時器、外部中斷等方便使用，且價格適中，性價比高[5]。

3.2 驅動模塊

選用L298N電流電機驅動模塊，其工作電壓高，輸出電流最大可達3A，持續工作電流2A，額定工作頻率25W。內含高電壓電流全橋式驅動器，采用標準邏輯電平信號控制，控制直流電機更加簡單容易。該驅動模塊使用光耦將電壓與信號電壓分隔，增強了可靠性。

3.3 通信模塊

通信模塊主要完成信號轉換功能，由作為主控芯片的MAX232組成，將RS232信號轉換為TTL信號，實現單片機與路由器之間的通信。其工作穩定，轉換精度高且功率低價格便宜。

3.4電源模塊

飛行器通過可充電鋰電池供電，電池電源由L7805穩壓芯片調節電壓，內部含調整管、過熱及過流保護，可靠性好，所需外圍元件少，且成本較低。完成電池的供電電壓平穩，使飛行器狀態穩定。

4.軟件設計

四旋翼飛行器的控制部分的作用主要體現在控制飛行器的巡航、起飛、降落、懸停等幾個方面，控制模塊通過采集角速度的反饋參數來調整各個電動機的轉速實現飛行姿態的變化。四旋翼的電機驅動性能的好壞及正常工作與否直接決定了飛行器的起飛質量。主要控制策略為：首先設置電機啟動參數，當電機收到驅動信號時啟動，并通過傳動裝置帶動四副旋翼旋轉，當需改變飛行姿態，即改變旋翼轉速時，電動機則按收到的反饋信號改變轉速實現飛行姿態的改變。

5.結論

完成硬件組裝及軟硬件綜合測試后，通過試飛獲得該基于飛行器的主要飛行參數為：飛行高度為0-100m，自重1kg，飛行速度0-36km/h，載重0-1.5kg，有效控制距離約320m。如圖2所示，飛行器各項參數性能良好，達到了預期設計目標，證實了其具有較高理論研究意義和實用價值，在軍民用領域應用前景廣泛。

圖2四旋翼飛行器

參考文獻：

[1]王俊生.四旋翼蝶形飛行器控制器系統設計與控制方法研究[D].國防科學技術大學，2007，（11）.

[2]楊慶華，宋召青，時磊.四旋翼飛行器建模，控制與仿真.海軍航空工程學院學報.2009，（9）.

[3]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學問題研究[D].南京：南京航空航天大學，2002.

[4]申安玉，申學仁，李云寶.自動飛行控制系統.國防工業出版社.2003，（5）

[5]范立南，謝子殿主編.單片機原理及應用教程[M].北京：北京大學出版社，2006 ，（2）.