四軸飛行器系統研究與設計

李瑞平++杜華巍

【摘 要】近些年來智能硬件蓬勃發展，而作為智能硬件中一顆耀眼的明星，四軸飛行器也越來越貼近我們的生活。伴隨著電子科技的進步和自動化控制理論的完善，四軸飛行器所具有的功能越來越多，也越來越多的能承擔人類賦予它的任務。最開始的四軸飛行器誕生于1907年的法國，是Breguet兄弟制造的。但由于當時技術的限制，當時的四軸飛行器無法克服操作復雜度高，系統魯棒性極差等缺點，在誕生的上個世紀一直沒有得到很好的發展。但如今隨著卡爾曼濾波算法提出，高精度的陀螺儀和高性能的主控芯片的問世。使得四軸飛行器無論在控制復雜度、可靠性和生產成本上都有很大的改善。為其大規模生產及投入使用提供了可能。本文主要介紹了利用STM32作為主控芯片，陀螺儀MPU6050為主要測量部件。設計一架四軸飛行器的過程。本文主要從各部件的特性，實現原理，算法控制等方面講解了從建模到設計一架四軸飛行器這一過程。

【關鍵詞】STM32；MPU6050；陀螺儀；算法

0 前言

作為飛機的一種，四軸飛行器因為它的四角有四個對稱的螺旋翼而得此名。四軸飛行器的體積一般都比較小，所以它操作簡便而且靈活度高。可以進行垂直起降，俯仰運動，滾轉運動，偏航運動。除此之外高度可拓展性強價格便宜也是四軸飛行器的優點。在機身上可以按照攝像頭，武器，等各種所需要的外設。

在實際應用中，在軍事方面四軸飛行器可用于代替士兵進行偵查探測、攻擊、警戒等任務。在工業方面四軸飛行器可以進行航拍、運輸等任務。在一些人難以到達的地方或危險的地方代替人去執行一些任務。在生活方面，民用的航拍四軸飛行器的出現讓我們多了一個視角看待我們的世界。

近些年來，隨著科技的發展，關于四軸飛行器的各種算法，理論都日趨完善。各種高性能的傳感器的出現也加速了四軸飛行器的發展。所以我們相信，四軸飛行器的研究將是一個廣闊的課題。而在在不就的將來，四軸飛行器將如其他日用電子產品一樣進入我們的生活。四軸飛行器也將迎來一個更高速發展的時代。

1 四軸飛行器的簡介

2005年第一架四軸飛行器誕生至今已有十余年，這幾年隨著各類技術的進步，與所有熱門的技術一樣，四軸飛行器已經成功吸引到了許多科學愛好者和科技公司的注意力。這一點從京東用四軸飛行器為客戶投遞包裹的舉動就可見一斑。故筆者認為，作為現在最炙手可熱的智能硬件之一，其在以下幾個領域具有很好的發展前景。

一是，可作為新概念交通工具。早在第二次時間大戰期間，科學家就設計了用以載人的四軸飛行器的原型機，但因為慣性測量單元太大飛行器不穩定等原因無法做到精確控制故而無法投入實際應用。但是隨著科學技術的發展，今天以上所有問題都已解決。現在的四軸飛行器可以在高度密集的城市中以其靈活的姿態自由穿梭。

二是，作用于安保領域，現在我們常聽到監控死角一詞，那是因為現在的監控攝像頭一般都是固定在建筑物上，所以在一定程度上會存在監控死角。但如果用四軸飛行器來進行監控追蹤則完全可以避免這個問題。而且它還能順帶改善監控碎片化帶來的監控不流暢等問題，大大加強了監控的能力與效率。

三是，作用于軍事與搜救領域，現在美國的部隊已經開始在使用了，他們在美軍在中東地區的作戰行動中發揮了巨大的作用。他們的輕便性靈活性是對美軍的大規模重武器的一個很好的補充。

2 整體設計

2.1 整體設計方案

我們使用的慣性測量模塊是MPU6050，在飛行器工作時MPU6050可以不斷收集三個軸線（X 軸 Y軸 Z軸）的加速度和它們的角速度。在收集后MPU6050利用串口與我們的主控芯片STM32進行通信，把數據發送給STM32。主控芯片在接收到數據后用PID算法進行處理。處理完成后把數據分別傳給四軸飛行器四個無刷電調，從而控制每一個電機的轉速。除此之外我們還利用外部中斷接受來自地面遙控器的信號，主控芯片在接收到相應的信號后結合慣性測量模塊發來的數據，對無刷電調發出指令改變電機轉速，從而使得四周飛行器在動態平衡中改變運動方向和運動姿態。

2.2 整體設計框圖

3 部分元器件簡介

3.1無刷電機

普通直流電機因為其自身限制，如馬力不夠、自重太大、壽命短、效率低等原因，難以為四軸飛行器提供穩定的動力。所以我們使用專業的三相交流無刷電機。無刷直流電機是一種典型的機電一體化產品。其主要由電動機主體和驅動器組成。但直接使用無刷電機無法對電機實時精確的控制，所以我們還使用了無刷電調配合使用。以便讓我們可以對飛行器實現高精度的控制。

無刷電機的單位為KV值，該單位的意思是電壓每增加一伏特時轉速所增加的值。因此從這個單位我們便知，無刷電機的轉速與其輸入電壓成正比關系。無刷電機的這一特性為我們控制電機提供了極大的便利。

3.2 無刷電調

隨著無刷電機的大力發展，無刷電調也開始慢慢占據了市場的主流。市場上有很多個無刷電子調速器品牌。但這并不意味著無刷電機可以和無刷電調任意匹配，無刷電機與無刷電調的匹配主要是看功率這個參數。如果使用的無刷電調功率太低，則有可能燒毀無刷電調的功率管，對無刷電調造成不可逆的損害。除此之外在選擇無刷電調時電調與電機的兼容度也很重要。

我們使用無刷電調主要是兩個作用。

其一是電調相當于一個開關，用PWM控制無刷電機的轉速。

其二是把電池供給的直流電變成無刷電機所需要的三相交流電。

3.3 電池

電池作為整個系統的能量提供者，其對系統的重要性不言而喻。所以選擇一款合適的電池至關重要。故綜合放電能力到續航能力到性價比到安全性能等各方面的考慮，我們選擇了大容量的鋰聚合物電池。其電容容量為2200mah，輸出電壓為11.1V。

此外電池在使用時要注意其正負極，放電充電時也要主要時間，不要過充或過放.

3.4 機架

我們選擇在專業賣航模的店買一個符合我們尺寸的機架，買回來后再經過我們自己的設計，加工成我們想要的樣子。

3.5 慣性測量單元

慣性測量單元對于整個四軸飛行器的重要性就像人眼對于人一樣重要，在四軸飛行器飛行時慣性測量單元不斷感知四軸飛行器的位置姿態，并把這些信息發送給四軸飛行器的大腦（STM32）進行處理。

我們所選擇的慣性測量單元是MPU6050，這是現在市面上很常見的一種姿態傳感器，其內部集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀。

3.6 主控芯片

主控芯片是這塊飛行器的大腦，所以選擇一款合適的主控芯片至關重要。在我們這款四軸飛行器中我們選擇的是意法半導體公司生產的STM32F4。作為一種較高級的單片機，STM32F4具有價格適中、速度快、時鐘選擇豐富、中斷接口多等優點。除此之外，作為一款常用的芯片，STM32F4擁有豐富的資源可供我們參考，可降低我們的開發難度。

除了性能和性價比的優勢外，我們選擇這款芯片的另外一個原因在于其豐富的資料。四軸飛行器從誕生到現在也沒有太久，所以并不是任何一款主控芯片都有設計制作四軸飛行器的豐富資料。而我們選擇的STM32F4在這方面稍占優。其資料相對于其他芯片更為豐富。

3.7 無線通信模塊設計

一般而言四軸飛行器需要在我們的控制下才能夠完成正常的飛行任務，所以飛行器在飛行時得進行人機通信。

我們選擇NRF24l01作為我們的無線通信模塊。作為NORDIC公司生產的工作于2.4GHz-2.5GHz的ISM頻段的一款單片無線收發器芯片。由NRF24l01芯片為核心制作的NRF24l01無線通信模塊具有體積小、耗電小、價格適中、功率大、操作簡單等優點。且其信號穩定，很適合作為四軸飛行器的無線通信模塊。

4 算法簡介

4.1 PID算法簡介

PID是比例，積分，微分的英文單詞的首字母的簡稱，它以其靈活性、簡便性等優點成為工業控制領域最常用的算法之一。PID算法的作用在于對飛行器的姿態進行一個實時的動態的調整。如我們所知，飛機在空中飛行時不是只有一個固定的姿態，它的姿態會隨著飛行任務的改變而要發生實時的改變。這就好比一個人在騎單車，車子一旦動起來了就進入一個動態調平衡的過程了。

PID算法就是一個可以為飛行器進行動態平衡調整的算法。

4.2 PID算法內容

比例（Proportion）P控制，在使用了PID算法的自動控制系統中，如果其輸出與輸入偏差存在成正比例關系，那么就可得知該系統使用了比例控制。比例控制算法是PID算法中最簡單的一種算法。如果系統中只使用了比例控制，那么該系統的輸出就有可能出現穩態誤差（Steady-state error）。這樣的系統我們稱呼其為有差系統，否則為無差系統。

積分（Integral）I控制：就是把輸入誤差以時間為變量做積分運算。

在只有比例控制的系統中，會有很大的幾率出現穩態誤差，因為只有比例誤差的系統是無法改變每一步調節的步幅，從而使得系統無法進行精細的調節。故而系統會出現穩態誤差，使得系統無法達到動態平衡。

而為了消除穩態誤差，我們便引進了積分項。他的值為輸入誤差在時間上的積分，所以跟著時間的增大，其積分項也會增大。如此一來就算輸入誤差非常小，只要時間足夠長，積分項的值也會是一個比較大的值，如此一來誤差便被放大觀察了。因此積分項的引入可以增加控制器的輸出從而達到使得穩態誤差減小的目的，且其在動態調解中不斷減小穩態誤差，理想情況下可以一直減小直到其等于零。

所以，為了消除穩態誤差，我們在使用比例調節的情況下引進了積分項。以使得系統能夠在動態中實現平衡。

微分（Derivative）D控制，控制器對輸入系統的輸入偏差進行以時間為自變量的微分運算

微分調節就是測量輸入偏差的變化率。例如，若是輸入偏差值發生了線性變化，那么控制器就會調節使得一個恒定的疊加量加于系統的輸出一側。他一般是作用于有時間滯后的系統，因為如果系統有時間滯后性的話，那只有提前調節系統，否則系統就無法達到動態平衡。而微分后的誤差，也就是他的斜率便是一個很好的預測的指標。大部分控制系統不需要調節微分時間。一般而言只有時間會滯后的系統才需要用到該微分調節。如果我們在沒有時間滯后的系統中加入微分調節的話，整個系統的控制都有可能收到影響。

我們在使用PID算法對四軸飛行器進行姿態調試，要先使其離散化。因為我們用的主控芯片是數字芯片，其難以處理模擬信號。以下是模擬的PID算法

其離散化的公式可以表示如下

△u（k）= u（k）- u（k-1）

△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

其中公式中各個變量的含義如下

u（t） 控制器的輸出值。

e（t） 控制器輸入與設定值之間的誤差。

Kp 比例系數。

Ti 積分時間常數。

Td 微分時間常數。（有的地方用"Kd"表示）

在四軸飛行器開始工作的時候，首先我們從慣性測量單元中讀取出當前的姿態數據。而后把這些數據傳輸給MCU經過PID算法處理。最后再把經過MCU計算過的數值傳送給各個無刷電調，繼而控制無刷電機以達到控制四軸飛行器姿態的目的。

5 結束語

隨著科技的發展，社會的進步，未來的生活中會充滿這智能化的產品，四軸飛行器將會在未來扮演著重要的角色。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]