多旋翼自主飛行器

西北民族大學電氣工程學院　趙宇萌　邢　宇

多旋翼自主飛行器

西北民族大學電氣工程學院趙宇萌邢宇

四旋翼飛行器系統由數據采集、數據信號處理、飛行姿態和航向控制部分組成。系統選用瑞薩RL78/G13 MCU板作為主控芯片，通過超聲波采樣判斷離地高度，從而調節PWM保證飛行器控制在h1和h2示高線范圍內。采用MPU-6050芯片采集飛行器的三軸角速度和三軸角加速度數據，對這些數據進行PID算法處理給出相應指令，對飛行姿態進行控制。用激光傳感器檢測出黑色指示線，使飛行器在指定飛行區域及到達指定圓形區域，同時用攝像頭進行拍攝工作。

四翼飛行器；RL78/G13 MCU板；MPU-6050；超聲波測距

1　系統方案

本系統主要由控制模塊、電機調速模塊、高度測量模塊、電源模塊、循跡模塊組成。采用瑞薩RL78/G13 MCU開發板為主控芯片，采用MPU-6050芯片采集的數據，對從MPU-6050芯片中讀取到的一系列數據進行PID算法處理，通過PWM輸出給飛行器的電調給出相應指令對飛行器的飛行姿態進行控制，同時通過超聲波傳感器可以方便的測出飛行高度。電源采用鋰電池減輕飛行器的自身重量。

2　系統理論分析與計算

2.1四旋翼飛行器的基本原理的分析

2.1.1基本工作原理

四旋翼飛行器是由固連在剛性十字交叉結構上的4個電機驅動的一種飛行器［1］。

四旋翼飛行器產生基本動作的原理：電機l和3逆時針旋轉驅動兩個正槳產生升力，電機2和4順時針旋轉驅動兩個反槳產生升力。反向旋轉的兩組電機和槳使其各自對機身產生的轉矩相互抵消，保證4個電機轉速一致時機身不發生轉動。電機1和4轉速減小（增大），同時電機2和3轉速增大（減小），產生向前（后）方向的運動。電機1和2轉速減小（增大），同時電機3和4轉速增大（減小），產生向左（右）方向的運動。4個電機轉速同時增大（減小）產生向上（向下）的運動。對角線的電機一組轉速增大，另一組轉速減小產生自身旋轉運動［2］。

2.1.2系統結構及硬件組成

三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計組成姿態測量系統，主控制器將姿態測量系統的數據進行解算得到當前姿態，再與通過無線模塊接收的姿態控制指令一起作為姿態PID控制器的輸入，姿態控制器輸出相應的PWM信號分別驅動4個電調，進而改變4個電機的轉速實現姿態控制［3］。旋翼對稱分布在機體的前后、左右四個方向，四個旋翼處于同一高度平面，且四個旋翼的結構和半徑都相同，四個電機對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計算機和外部設備［4-5］。

2.2姿態解算算法計算

2.2.1初始姿態獲取

當飛行器處于靜止狀態時，參考坐標系下的加速度為重力加速度（）=（0，0，0），可得：

2.2.2四元數姿態更新

首先將歐拉角轉換為四元數，然后進行四元數的更新，如式（2-6）。代表陀螺采樣時間間隔。代表載體坐標系下的角速度，由陀螺得到［9-10］。

2.2.3規范化四元數

表征旋轉的四元數應該是規范化四元數，因為計算過程中四元數會逐漸失去規范化特性，所以必須對四元數做規范化處理。使用互補濾波器矯正后的歐拉角，先轉換為四元數，然后使用式（2-7）對其進行規范化后再進行更新操作。

2.3PID控制算法的計算

PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成［11］。輸入一般是系統輸出與一個參考值的差值即控制偏差，然后把這個差別用于計算新的控制量，目的是可以讓系統的輸出達到或者保持在參考值。對角速度做積分預算實際得到的就是角度，若四軸有一個傾斜角度，則四軸就會自動調整，直到四軸的傾角為零，所產生的抵抗力與角度成正比［12］。若只有積分的作用，會使四軸產生振蕩，必須將P和I結合起來一起使用［13］。

3　電路與程序設計

3.1電路的設計

系統總體框圖：

圖1　系統總體框圖

3.2程序設計思路和流程圖

主程序流程圖如圖2所示。根據瑞薩RL78/G13 MCU板的特點，主要思路：單片機上電、延時等待電源穩定、減少電源波動對系統的干擾，之后利用定時器設定電機PWM周期、串口初始化，在串口中斷服務函數中不斷接收各類傳感器發送的數據，且為數據的有效性設定特定幀頭、狀態位、結束位和校驗位。在初始化結束后，設定目標姿態、進入循環函數，不斷檢測各類傳感器數據是否接收完成，一旦接收到有效的姿態數據，就進入姿態控制函數。在姿態控制函數內部，利用當前四軸飛行器的翻滾和俯仰數據，結合模糊控制算法，解算出不同姿態，每個空心杯電機需要的調整量，這樣不斷的接收姿態數據，解算數據，調整量輸出，使四軸飛行器穩定的飛行。

4　測試方案與測試結果

4.1測試方案

4.1.1硬件測試

檢查多次，仿真電路和硬件裝置，硬件測試：在硬件電路組裝前，先進行電子調速器和電機的單獨測試，組裝完成后用遙控器進行整體測試。

4.1.2軟件仿真測試

在調試程序之前，先用示波器觀察瑞薩單片機PWM輸出，并用程序模仿飛行器的飛行方法，通過對其仿真來測試PWM的穩定度。

圖2　主程序流程圖

4.1.3硬件軟件聯調

對飛行器起飛、懸浮、降落、前進、后退、左轉、右轉進行測試，利用實際飛行區進行測試。

4.2測試條件與儀器

測試條件：電路與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。且在試飛場地進行多次測試到達目的時間和偏離目的地情況。

測試儀器：高精度數字示波器，數字萬用表，四軸飛行器專用遙控器。

4.3測試結果及分析

4.3.1測試結果

表4-1　A到B測試表

4.3.2測試分析與結論

根據上述測試數據，可以得出以下結論：（1）測量的最大時間符合設計所規定的時間。（2）飛行器在空中飛行時間越長，控制性能越好，飛行越穩定，飛行器降落時偏離目標距離越短。

綜上所述，本設計達到設計要求。

5　結論與心得

此次設計用到了瑞薩芯片輸出PWM波控制無刷電機的轉速，通過I2C通信系統連接MPU6050傳感器控制飛行器的平衡，并運用了姿態算法、標準PID算法，使其達到一致從而保證飛行器穩定飛行。

在對四軸飛行器測試過程中，有很多問題。由于電機和機架的震動，加速度計對姿態的估計干擾無法消除，使得遙控器不給控制指令的時候，四軸飛行器也會往一邊偏移運動；陀螺儀的誤差導致長期姿態的估計誤差會越來越大；四軸飛行器的穩定飛行對四個電機或電調性能的一致性要求較高。

［1］王業潘，孫驊，李文靜.微型四旋翼直升機控制系統設計［J］.廣州大學學報，2010，10（2）：35-41.

［2］聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術［J］.電光與控制，2007，14（6）：113-116.

［3］張廣玉，張洪濤，李隆球，王林.四旋翼微型飛行器設計［J］.哈爾濱理工大學學報，2012，17（3）：110-114.

［4］陳海濱，殳國華.四旋翼飛行器的設計［J］.實驗室研究與探索，2013，32（3）：41-44.

［5］李小明.無刷直流電機調速系統研究與設計［J］.科技信息，2010（35）：124-125.

［6］李秀英，劉彥博.基于PWM的四旋翼飛行器控制方法［J］.吉林大學學報，2011，29：464-472.

［7］劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統研究和設計［D］.上海：上海交通大學，2009.

［8］葉樹球.四翼飛行器姿態控制算法研究［D］.安徽：安徽理工大學，2015.

［9］何瑜，四軸飛行器控制系統設計及其姿態解算和控制算法研究［D］.成都：電子科技大學，2015.

［10］孫書誠，郎朗，陳孟元.模糊自適應PID控制器在交流伺服控制系統中的研究［J］.長春工程學院學報，2012，13（2）：39-42.

［11］童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［12］李俊，李運堂.四旋翼飛行器的動力學建模及PID控制［J］.遼寧工程技術大學學報（自然科學版）［J］.2012，31（1）：115-117.

［13］王史春.四旋翼飛行器PID優化控制［J］.河北科技大學學報，2013，34（5）：457-463.

趙宇萌（1994—），女，河北晉州人，大學本科，現就讀于西北民族大學電氣工程學院。