四軸飛行器的研究與設計

2015-07-27 05:23:51高學彬蔡建羨防災科技學院防災儀器系北京101601

山東工業技術 2015年13期

田博,高學彬,寧鵬,蔡建羨（防災科技學院防災儀器系,北京 101601）

四軸飛行器的研究與設計

田博,高學彬,寧鵬,蔡建羨
（防災科技學院防災儀器系,北京 101601）

摘要：設計了一種基于ARM單片機控制的四軸飛行器，飛控系統發送信號給位于各軸的無刷電子調速器，電子調速器驅動直流無刷電機轉動，通過控制各個電機的轉動速度來調節飛行姿態，通過這樣的控制機制，大大的減輕了機身的重量，增強了其實用性和拓展性。

關鍵詞：控制系統結構；運動控制系統；運動執行模塊

1　引言

四軸飛行器由于其穩定的結構可以在各種復雜的環境中飛行，因性能更加的穩定，優勢逐漸突出，已經在許多領域非常廣泛的應用前景，我們所設計的四旋翼飛行器以ARM為核心，搭建飛行器硬件平臺，并基于此平臺，實現四旋翼飛行器的姿態控制。，完成了系統的主控模塊、傳感器模塊、執行模塊的硬件選型及電路設計。

本設計是一種十字交叉四旋翼結構，由四個電機驅動的、可垂直起降的，多旋翼式遙控自主飛行器。與傳統的無人飛行器相比，四旋翼飛行器具有機動性強，體積小，可以快速改變姿態。

2　控制系統結構

2.1 設計思想

四旋翼飛行器通過調節電機的轉速來改變四個旋翼的升力，從而控制四旋翼飛行器的飛行姿態。并針對四旋翼飛行器，采用了一種基于四元數法和卡爾曼濾波的姿態控制算法，然后通過分析卡爾曼濾波處理的姿態數據和未經處理的姿態數據進行了測試，實驗驗證了硬件和軟件的功能和可行性，實現了對四旋翼飛行器自動駕駛儀姿態和航向的準確測量。通過對四旋翼飛行器自動駕駛儀平臺的設計和研究，提高了四旋翼飛行器系統的可靠性，降低四旋翼飛行器的設計成本。

2.2 運動控制系統

根據四軸飛行器的特點，我們采用主從控制設計出了整個控制系統，如圖2所示，運動控制系統是四旋翼飛行器最關鍵的部分，開發的運動控制系統由姿態解算模塊、導航模塊、運動執行模塊組成。姿態解算模塊和導航模塊均由高性能飛行控制器實現，姿態解算模塊能夠實現姿態解算得出四旋翼飛行器的姿態信息并通過導航模塊得到四旋翼飛行器所在位置信息以作為導航的參考，最后將收到的命令和現有的信息聯合處理得到目標姿態并輸送給運動執行模塊，運動執行模塊由直流無刷電機電子調速器實現。

（1）姿態解算模塊:姿態解算是四旋翼飛行器平臺上最基礎的部分，由ARM處理器完成，他的目的在于將控制板上的10軸傳感器的數據經過濾波融合最終估計出四旋翼飛行器的姿態向量。采用的硬件是6軸傳感器包括三軸陀螺儀、三軸加速度計以及三軸磁阻傳感器，由該模塊處理后得到的信息包括飛行器的速度、位移、航向角等。

（2）導航模塊:導航功能由北斗導航系統和數字氣壓傳感器構成，北斗導航系統優勢：

第一是北斗系統有斜軌道衛星，在遮擋物復雜的地形、地表的定位信號更強、精度更高；

第二是北斗系統支持短報文傳訊功能，終端設備不僅能接受到北斗的定位信號，還能發送終端訊息到衛星或者到調控中心。

四旋翼飛行器所采用的北斗導航系統的支持下，可以實現點到點的規劃路徑移動，實現較強的導航功能。

（3）運動執行模塊:運動執行模塊由四旋翼飛行控制器和直流無刷電機電子調速器以及直流無刷電機。直流無刷電機電子調速器控制器，四旋翼四個臂的均由一個單獨的電調控制電機的轉速，控制信號由四旋翼飛行器的主控板通過算法計算得出并通過I2C協議傳給各個電調的控制芯片，設計的執行機構采用直流無刷電機，舵機是一種典型的機電一體化產品，可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速，適用于那些需要大力矩高功率的動力系統。

2.3 遙控系統

遙控系統由協議開源的遙控手柄和四旋翼飛行器上的無線模塊構成，在此基礎上加上PA和LNA以擴大無線發送的功率從而增大通訊距離，采用雙模模式運行。遙控器有兩個搖桿通過模數轉換獲得鍵位的位置，以及兩個按鍵擴充功能，整合后通過通信協議發送一幀數據包括所有的鍵位信息，四旋翼飛行器也通過無線模塊將自身的各項信息指標發往遙控器上，顯示在液晶屏中，例如電量、姿態、轉速、飛行高度等。

2.4 電源系統

電源是四旋翼飛行器的動力來源，它為四旋翼飛行器提供傳輸、控制和運動等任何行為的所有能源。電源系統主要包括：電池，電源監控模塊，電壓分配模塊等，

四旋翼飛行器上電后。電機調速器開始測量電壓，若電壓過低則電機會發出報警的聲音然后自動停轉，若電壓正常則驅動電機開始保持低速旋轉并等待下一步指令。等待四旋翼飛行器送出的I2C協議的數據驅動電機。