四旋翼反恐飛行器設計

顧臣務+紀延俊+宋海洋

摘要：以ARM系列的STM32處理器為主控制器對四個電機調速器進行控制，用電調電路調節無刷直流電機的轉速，模擬四旋翼飛行器模型。通過實驗、調試等手段確定了最符合模型樣機的姿態控制算法，從而實現飛行器的平衡和姿態控制。在飛行器上搭載微光攝像頭，從而實現對夜間或陰暗環境的檢測。飛行器可通過遙控飛行，同時將拍攝的視頻或圖片發送到控制室，也可發送警報，實時追蹤，大大增加了飛行器的利用率。

關鍵詞：四旋翼飛行器；實時監測平臺；電機控制；姿態解算

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0068-02

一、引言

小型四旋翼飛行器在遠程偵察、監控、軍事等領域具有巨大的優勢，在無人機應用與實驗領域，小型四旋翼無人機被認為是最好的平臺。目前世界上的四旋翼飛行器基本都是微小型無人飛行器，可分為三類：遙控航模四旋翼飛行器、小型四旋翼飛行器以及微型四旋翼飛行器[1]。遙控航模四旋翼飛行器的典型代表是美國Draganglyer公司研制的Draganglyer3，它主要用于航拍[2]。其機載電子設備采用了碳纖維和高性能塑料作為機體材料，電子設備可控制四個電機的轉速，另外電晶體螺旋儀進行姿勢控制。

小型四旋翼飛行器的研究方向主要在三個方面，分別是基于慣導的自主飛行控制，基于視覺的自主飛行控制，和自主飛行器系統方案[3]，其最典型代表分別是：瑞士洛桑聯邦科技學院的OS4，賓夕法尼亞大學的HMX4和佐助亞理工大學的GTMARS[4]。OS4是EPFL自動化系統實驗室開發的一種小型四旋翼飛行器研究重點是機構設計方法和自主飛行控制算法。HMX4在結構上與Draganglyer3相似，使用的控制算法是Backstepping。GTMARS是佐治亞理工大學面向火星探測任務二設計的CAD無人機系統[5]。

本文設計了一種小型四旋翼飛行器，并讓飛行器搭載微光攝像頭，從而能在夜間或陰暗環境下進行航拍監控，應用于車站、廣場、小區等大多數人口相對密集的場所，自動巡邏，進行反恐監控，飛行器能將拍攝的視頻或圖片發送到控制室，也可以通過遙控控制飛行器的飛行，大大增加了飛行器的利用率。

二、飛行器系統設計

1.空間模型設計。由于四旋翼飛行器就實際來說是一個非線性高耦合欠控制的系統，在建立數學模型時往往會忽略某些外界不穩定因素以及旋翼之間的相互作用等難以精準描述的影響[6]，因此要建立一個較為理想的動力學模型。

首先定義平面坐標系，地坐標系與機身坐標系，如圖1，（a）中α表示偏航角，（b）中β表示俯仰角，（c）中θ表示翻滾角，其中地坐標系為以地面某個參考點為原點的靜止笛卡爾坐標系，機身坐標系為以四旋翼飛行器的幾何中心為原點的動坐標系。

2.控制系統設計。本文所設計的四旋翼飛行器控制系統由五部分構成，如下頁圖2所示。（1）ARM系列的STM32微處理器，它用來控制整個系統的運行，STM32系列處理器具有12位A/D轉換器、D/A轉換器、多通道的PWM定時計數器、異步串行口、UART、I2C、總線模塊等接口電路[7]。（2）動力系統，包括4套電子調速器、無刷直流電機和螺旋槳。動力系統采用直流無刷直流電機。直流無刷電機具有力矩大、質量輕等特點，用非接觸式的電子換向方法，消除了電刷磨損，較好地解決了傳統直流有刷電機的缺點[8]。（3）傳感器部分，使用MM6050加速度傳感器作為角度傳感器。（4）遙控部分，包括地面遙控器和無線通信模塊。WiFi作為收發電路，地面遙控器發送加速、啟動、減速、停止等命令。（5）電源系統，系統以11.8V的航模鋰電池作為電源供應，為控制器、方向傳感器、陀螺儀、電子調速器、無刷直流電機提供直流電源。

三、實物測試

采用十字四旋翼飛行方式，由攝像頭及其外設電路產生WiFi區域網，通過終端連接WiFi即可實時監控地面狀況，模塊化有利于避免沖突和誤判。圖3為攝效果實測圖。

四、結束語

本文所設計的小型四旋翼飛行器系統，以STM32為控制核心，采用MM6050實時采集飛行器飛行過程中姿態信息，通過控制無刷直流電機來提供飛行器的飛行動力，可以實現按規定路線巡邏，以及終端控制飛行和報警。另外，該小型四旋翼飛行器的難點在于夜間的監測，由于夜間拍攝光線不足，飛行高度需要降低，飛行難度上升，夜間航拍效果雖然不及白天，但是基本可見，能實現監控效果。

參考文獻：

[1]宿敬亞，樊鵬輝，蔡開元.四旋翼飛行器的非線性姿態控制[J].北京航空航天大學學報，2011，37（9）：1054-1058.

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[3]張鎮，李浩.四旋翼飛行器模糊姿態控制[J].計算機仿真，2014，（08）：73-77.

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[6]劉麗麗.四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D].中南大學，2009.

[7]孫鵬.微小孢無人良升機姿態控制及實驗研究[D].長沙：國防科技人學，2008.

[8]張嘉鐘，魏英杰，曹偉.飛行器動力學與控制[J].哈爾濱工業大學出版社，2011.

Design of Four Rotor Aircraft on Terror

GU Chen-wu，JI Yan-jun，SONG Hai-yang

（Institute of Aviation engineering，Bingzhou University，Bingzhou，Shandong 256600，China）

Abstract：The four motor speed regulators were controlled by ARM STM32 processor，the speed of brushless dc motor was adjusted by circuit，and the four rotor aircraft model was simulated. The attitude control algorithm of model prototype was determined by experiment，thus to realize the balance and attitude control of aircraft. A low light level camera was installed on the aircraft，so as to realize the detection of the night or dark environment. The aircraft flying through remote control can send video or photos to the control room at the same time，can send alarm and real-time tracking. This increases greatly the utilization of the aircraft.

Key words：four rotor aircraft；real-time monitoring platform；motor control；attitude algorithm