植保四軸無人飛行器關鍵技術探討

桂花

（祁陽縣農機局，湖南 永州 426100）

植保四軸無人飛行器關鍵技術探討

桂花

（祁陽縣農機局，湖南 永州 426100）

筆者首先介紹了四軸飛行器的機械結構及飛行原理，然后分析了飛行器控制系統的軟硬件設計，最后探討了飛行器姿態數據的獲取與解算以及實現飛行器穩定飛行的控制算法，希望能夠為今后相關問題的研究提供一定的參考依據。

植保；四軸飛行器；關鍵技術

1 四軸無人飛行器的機械結構

無人飛行器通常可以分為兩大類，一類是旋翼機，另一類是固定翼。在這兩種類型中，旋翼機在飛行器中非常普遍。根據旋翼機翼數量的不同，又可分為單旋翼和多旋翼兩種具體類型。四軸無人飛行器和直升機一樣，都是旋翼機中的一種，但是和直升機相比，四軸無人飛行器的結構有著很大的不同。

圖1 “十”字型和“X”型兩種飛行控制方式

現階段，四軸無人飛行器的機械結構安排比單旋翼直升機簡化了很多，在系統的可靠性方面有了很大的提升。結合當前四軸飛行器的實際情況來看，四軸無人飛行器控制的主流方式主要有“十”字型和“X”型兩種。“十”字型控制飛行器水平運動方向與軸臂平行，“X”型控制則是飛行器水平運動方向與軸臂形成一定的夾角。兩種不同方式的控制具體如圖1所示。

2 四軸飛行器的飛行原理

四軸飛行器更多情況下是一種多旋翼飛行器，這也就造成了它的控制與多旋翼飛行器在很多地方比較相似，因此只要將飛行器各個方向的控制量通過軟件合理的分配到多旋翼的各個旋翼，既可以實現飛行器的穩定運動控制。四軸飛行器在運行過程中主要存在四種飛行狀態：垂直飛行、俯仰飛行、橫滾飛行以及偏航飛行。這四種飛行運動可以改變各旋翼的轉速來實現，由于四軸飛行器是一種四輸入，六自由度的不穩定的強耦合系統，所以在程序控制中需要考慮旋翼之間協調控制，最終控制飛行器的姿態穩定。

3 四軸飛行器控制系統設計

3.1 系統總體設計

四軸飛行器主要包含飛行器主體和地面控制與監控設備兩大部分。四軸飛行器主體包含提供主要動力的四個無刷直流電機及其驅動、實時檢測飛行器姿態的多傳感器模塊、無線通信設備等。地面系統主要包括提供飛行控制命令的無線遙控設備，提供參數修改和數據監測的無線設備和計算機監控設備。

3.2 系統硬件設計

（1）無刷直流電機選型。植保四軸飛行器必須具有一定的帶負載能力，針對其研究實驗必須選用功率相對較大的無刷直流電機和相關的驅動裝置，保證控制模型相似。同時為了保證試驗過程的安全，以及解決試驗中供電問題，選擇功率適中的無刷直流電機。

（2）飛行控制處理器。四軸飛行器的控制系統是一個對實時性和數據處理能力要求比較高的系統，需要同時處理多路復雜的數據，比如遙控器的電平寬度的捕獲，電池的電量采集，姿態模塊的數據采集和處理，四軸旋翼電機的控制量的輸出等。控制系統不僅要求處理能力強，還要求自身的質量輕、體積小，適合安裝在飛行器上。

（3）無線裝置。根據植保四軸飛行器的作業要求，雖然大多時間都在可視距離內，但數據傳輸的距離較大，所以對無線傳輸設備的傳輸功率有一定的要求。試驗平臺中的無線裝置包括發送指令的遙控設備和用于監控的數據傳輸設備，為了更好地滿足實驗要求，采用了傳輸距離相同的天地飛二代遙控接收裝置和3DR串行無線數據傳輸裝置。

（4）無刷電機驅動設計。無刷直流電機是屬于交流電機，它與普通的有刷直流電機存在很大的差異，普通的直流電機驅動電路比較簡單，基本上用脈寬調制電路和功率放大電路組合就可以實現電機的驅動和調速控制。而四軸飛行器上采用的無刷直流電機是一種外轉子的電機，將磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機運行時，是整個外殼在轉，而中間的線圈定子不動。

3.3 系統軟件設計

（1）系統程序初始化。STM32系統上電時，默認執行系統上電復位程序，因此開啟系統后需要對系統進行程序初始化設置，系統初始化的程序一般只需要執行一次，主要完成系統的某些初始化的設置。程序初始化設置主要包括時鐘的初始化、端口的初始化、主要系統參數的初始化和讀取系統內部資源等。在系統啟動后，通過短暫的延時等待系統各部分正常工作。

（2）軟件系統資源分配。根據系統中采用的定時器資源，以及系統硬件各部分的聯系，程序初始化時對處理器與外部相連的 GPIO口進行了相關的設置，根據相關研究對飛行控制系統的主要資源端口的說明，其中對于用到的端口均根據STM32中 V3.5版本中庫函數進行了相應的設置，并且在后續的試驗中均工作正常，有效的驗證了資源分配的合理性。

4 無人飛行器姿態數據的解算與姿態控制算法

（1）姿態數據解算。姿態解算的最終目的是獲取飛行器在某一時刻準確的姿態角度，硬件系統中包含了加速度計和陀螺儀兩種測量姿態角度的傳感器。加速度計具有很好的靜態性能，在靜止狀態下能夠準確的測量當前機體自身相對地面坐標系的姿態角度；而陀螺儀則具有較好的動態性能，通過積分的方式獲取機身姿態角度相對初始角度的變化量來獲取機身當前的姿態角度。這兩種方式都存在各自的缺陷，采用陀螺儀積分得到的角度隨著積分時間增加，偏差越來越大。

（2）姿態控制算法。根據四軸飛行器飛行運動的原理分析，飛行器整體上屬于一種四輸入，六自由度的欠驅動、強耦合的不穩定系統，對于系統的整體建模分析相對比較復雜。但是，通過數據分析后將機械機構對稱安裝，可以很好地抑制飛行器自身的不穩定。根據飛行器的對稱性，可以對飛行器的某個維度實施單獨控制，將飛行器每個維度控制穩定后，在將所有的控制結合起來，只需要對其控制參數進行微調就可以達到穩定的整體效果。對于四軸飛行器的姿態控制主要包括橫滾方向、俯仰方向和航向角的控制，因此四軸飛行器的四個旋翼的控制量主要由油門量、橫滾方向輸出量、俯仰方向輸出量和航向角控制量四部分組成。

5 結語

總而言之，四軸無人飛行器的發展速度非常快，應用在農業植保作業中，取得了巨大的經濟效益。但是四軸無人飛行器在農業植保應用領域仍然存在一定的問題，需要在日后的發展中作進一步的研究。

［1］鄧矛.關于四軸飛行器的姿態動力學建模［J］.科技創新導報，2014，12，（9）：256-256．

Discussion on Key Technology of Plant Protection Four-axis Unmanned Aerial Vehicle

HUI Hua
（Qiyang County Agricultural Machinery Bureau，Yongzhou，Hunan 426100，China）

The paper firstintroduces themechanicalstructure and flightprinciple of the four-axisaircraft，and then analyzes thehardware and software design of theaircraftcontrolsystem，finally discusses theacquisition and calculation of theattitude data of the aircraft and the control algorithm of the stable flight of the aircraft，hoping to provide a reference for the problem of research.

plantprotection；four-axisaircraft；key technology

S252.3

A

2095-980X（2017）05-0117-02

2017-04-30

桂花（1982-），女，助理工程師。