四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)及調(diào)試

曲行達(dá)

【摘 要】四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、姿態(tài)靈活、搭載外設(shè)方便，能實(shí)現(xiàn)航拍、監(jiān)測(cè)等功能，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)技術(shù)之一。在搭建的硬件平臺(tái)上，編寫(xiě)了相應(yīng)的控制程序，經(jīng)過(guò)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器；姿態(tài)數(shù)據(jù)

【Abstract】The structure of four rotor aircraft is simple，flexible and easy to carry peripherals.Then taking aerial photo，monitoring and other functions can be realized easily.The corresponding control procedures were designed on the hardware platform.The testing shows that stability control of the four rotor aircraft is realized.

【Key words】Four rotor aircraft；Posture data

0 引言

本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與按照預(yù)定軌道自主飛行為目標(biāo)，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)與飛行原理，并通過(guò)實(shí)際調(diào)試，理解四旋翼飛行器的相關(guān)控制理論。

1 設(shè)計(jì)原理方案

四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對(duì)其飛行過(guò)程中的三軸加速度與三軸角速度值進(jìn)行采集，主控制器采用四元數(shù)方法及PID算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將計(jì)算后的PWM控制信號(hào)施加到電機(jī)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的控制。

總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

a.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用SI2302 N溝道CMOS管進(jìn)行電流的驅(qū)動(dòng)放大。穩(wěn)壓二極管D1起到續(xù)流及保護(hù)SI2302的作用，電機(jī)停轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)部線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)經(jīng)D1形成放電通路，避免因無(wú)放電通路而擊穿驅(qū)動(dòng)電路中的SI2302的問(wèn)題。

b.無(wú)線收發(fā)電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中引入無(wú)線參數(shù)給定的思想，設(shè)計(jì)了無(wú)線收發(fā)電路，采用nRF24L01無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。

c.TPS63001穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了TPS63001穩(wěn)壓電路，TPS63001在1.8V～5.5V輸入時(shí)，均穩(wěn)壓輸出3.3V，保證系統(tǒng)各控制電路電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。

d.電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了電池電壓檢測(cè)電路，通過(guò)適時(shí)調(diào)整PWM輸出信號(hào)的方式對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

核心控制器利用MPU6050采集參數(shù)，然后進(jìn)行姿態(tài)解算，最終以PWM控制信號(hào)的方式施加到4路空心杯電機(jī)上，通過(guò)調(diào)整各路PWM信號(hào)完成相應(yīng)的飛行控制功能。

a.控制算法

（1）數(shù)據(jù)更新：由于設(shè)計(jì)中采用四元數(shù)進(jìn)行歐拉角的計(jì)算，設(shè)計(jì)中采用四元數(shù)的自補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，如式（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數(shù)，△t為MPU6050的采樣時(shí)間。

（2）姿態(tài)角的計(jì)算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角（分別稱(chēng)為偏航角、俯仰角和橫滾角）。ψ、θ和φ的計(jì)算如式（4-5）、（4-6）、（4-7）所示。

（3）補(bǔ)償零點(diǎn)漂移：由于存在陀螺零點(diǎn)漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差，由載體坐標(biāo)系下的三軸角速度計(jì)算得到的四元數(shù)只能保證短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片內(nèi)部的加速度計(jì)對(duì)其進(jìn)行矯正。式（4-8）、（4-9）、（4-10）為axB、ayB、aZB的數(shù)據(jù)歸一化。

Kp、Ki、Kd為PID的控制參數(shù)，利用PID算法通過(guò)式（4-23）、（4-24）、（4-25），分別求出施加在四個(gè)電機(jī)上的可調(diào)變量uψ、uθ、uφ。

（5）輸出整合：根據(jù)理論計(jì)算，施加在四個(gè)電機(jī)上的PWM輸出信號(hào)如式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）所示。

b.參數(shù)整定與調(diào)試

初次調(diào)試時(shí)，四旋翼飛行器自身不存在調(diào)節(jié)，當(dāng)P值增加時(shí)，根據(jù)式（4-23）、（4-24）、（4-25）計(jì)算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再經(jīng)式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）后，施加在四個(gè)空心杯電機(jī)上的PWM控制信號(hào)均有所變化。根據(jù)查閱的大量資料了解到D值是通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)誤差的變化來(lái)減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

c.姿態(tài)補(bǔ)償

當(dāng)電池的電量持續(xù)消耗時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷降低，因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢(shì)，為了消除這一影響，利用MEGA2560實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，并適時(shí)調(diào)整PWM輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)補(bǔ)償。由式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）知，通過(guò)增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機(jī)上的PWM信號(hào)，進(jìn)而增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，補(bǔ)償系數(shù)符合式（4-30）的規(guī)律，式中u1代表電池當(dāng)前的電壓值。

當(dāng)檢測(cè)到的電壓值低于2.6V時(shí)，飛行姿態(tài)將無(wú)法得到補(bǔ)償，必須停止飛行。將式（4-30）分別代入式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29），得到（4-31）、（4-32）、（4-33）、（4-34），此4式則為最終施加到4路電機(jī)的PWM控制信號(hào)。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，實(shí)現(xiàn)了功能，滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與功能要求，解決了因供電電壓不斷降低而導(dǎo)致的控制不穩(wěn)的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宿敬亞，樊鵬輝，蔡開(kāi)元.四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（9）：1055-1056.

[2]國(guó)倩倩.微型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法研究[D].吉林大學(xué)，2013.

[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint