基于NI myRIO的四旋翼飛行器設計與實現

侯恭　董明飛　康立鵬　孟瑞鋒

摘 要：文章主要研究基于NI myRIO小型四旋翼飛行器的設計與實現，小型四旋翼飛行器擁有靈活小巧且軟硬件結構比較簡單的特點，并且以NI myRIO芯片為核心。飛行器的設計包括藍牙通信模塊，控制器模塊，傳感器檢測模塊，驅動模塊、電源模塊和電機執行模塊。小型四旋翼飛行器采用的是PID控制算法。PID控制算法是自動控制系統的常用基本控制方式。通過PID控制算法調整，可以實現小型四旋翼飛行器的平穩飛行。

關鍵詞：小型四旋翼；無人機；NI myRIO；PID控制

中圖分類號：V279+.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0101-02

Abstract： This paper mainly focuses on the design and implementation of NI myRIO small quadro aircraft， which has the characteristics of small flexibility and simple hardware and software structure， and takes NI myRIO chip as the core. The design of the aircraft includes Bluetooth communication module， controller module， sensor detection module， drive module， power module and motor execution module. The small four-rotor aircraft adopts pid control algorithm. Pid control algorithm is the common basic control mode of automatic control system. By adjusting pid control algorithm， the smooth flight of small four-rotor aircraft can be realized.

Keywords： small quadrotor； unmanned aerial vehicle （UAV）； NI myRIO； PID control

1 概述

1.1 研究背景及意義

四旋翼飛行器屬于無人機中的一種，由4片螺旋槳構成，4片螺旋槳呈十字形分布。四旋翼飛行器結構較簡單，操作較靈活，機動性很強，具有很好的飛行穩定性。所以有非常廣闊的應用和開發價值，廣泛的應用于空中拍攝，自然火災以及各行業線路的實時監控與巡查維修中。本文研究小型四旋翼飛行器在NI myRIO控制下，初步實現較穩定的飛行。

1.2 本文主要研究內容

第一部分為緒論，簡單介紹四旋翼的背景及研究意義。第二部分簡要論述四旋翼的飛行原理。第三部分為小型四旋翼飛行器的硬件的選型。第四部分為結束語，總結本文的不足以及之后的研究與學習的方向。

2 小型四旋翼飛行器飛行原理

飛行原理介紹：

小型四旋翼飛行器的飛行是通過控制器和各傳感器對飛機的姿態信息的控制，控制器通過改變電機的轉速來控制四旋翼的姿態，從而讓四旋翼實現各種飛行動作。

在圖1（a）中，相鄰的兩對螺旋槳轉動方向是相反的。當初始時刻4個電機的轉速相同，然后電機轉速由低到高逐漸升高時，四個電機上對應的四個螺旋槳所產生的上升力也由低到高逐漸變大，當四個螺旋槳向上的升力總和提升到大于四旋翼整體的重量時，四旋翼便開始在豎直方向上垂直上升；反之，如果4個電機的轉動速度慢慢下降時，四旋翼便開始在豎直方向上垂直下降。當四個螺旋槳產生的升力之和恰好等于無人機本身的重量時，這時四旋翼便會處于懸停狀態。

在圖1（b）中，在保持電機2和4的轉速不變的同時，增加電機1的轉速，降低電機3的轉速，這時，螺旋槳1的升力便會隨著電機轉速的增大而增大，而螺旋槳3升力便會隨著電機轉速的降低而減小，從而會在機身Y軸上產生一個不平衡力矩，四旋翼飛行器受這個不平衡力矩的影響將繞機身的Y軸旋轉；同理如果當電機1轉速降低，電機3轉速增加時，四旋翼飛行器則繞機身Y軸向另一方向旋轉，從而使飛行器實現俯仰姿態控制。

在圖1（c）中，在保持電機1和3的轉速不變的同時，電機2和4的轉速一個變大另一個變小，則會在機身的X軸上產生一個不平衡力矩，則四旋翼飛行器會繞機身的X軸轉動，從而使飛行器實現滾動姿態控制。

在圖1（d）中，在增加電機1和3的轉速的同時，降低電機2和4的轉速，此時電機1和3上對應的螺旋槳對機身的反扭矩大于電機2和4上對用的螺旋槳對機身的反扭矩時，便會在四旋翼Z軸上產生一個扭力矩，四旋翼便會在這個扭力矩的作用下繞機身的Z軸旋轉，從而使飛行器實現偏航姿態控制[1]。

3 小型四旋翼飛行器硬件的選型

3.1 控制系統的設計

（1）控制模塊。本文選用了可重配置I/O技術的嵌入式控制器NI myRIO，它是NI公司針對學生和教學創新應用而推出的一款嵌入式系統開發產品。它有數字輸入和輸出線四十條，支持PWM、異步收發傳輸器和IIC，差分模擬輸入和對地參考模擬輸出各兩個，十二個單端模擬輸入輸出，這使得控制與連接外設及傳感器可以非常方便的通過編程來實現。

NI myRIO可重新定制的性能強大，它的核心是一塊可重新構建的可編程門陣列作為分布式應用，以及一塊667兆赫茲的雙核心ARM Cortex-A9可編程處理器。

（2）傳感器模塊。本文中對四旋翼飛行器飛行的控制，選用了一款9軸慣性導航模塊，該9軸慣性導航模塊集成了JY901（3軸加速度計、3軸陀螺儀、3軸磁力計）。相比于MPU6050，擁有更低的功耗。飛行控制器通過串口通信方式獲取該模塊的9軸數據。

（3）驅動模塊。本文中選用無刷電機來提供動力，對無刷電機的控制需要加裝電子調速器對其進行驅動。本文選用了好盈的一款Skywalker-40A，該電調有電池低壓保護、電壓輸入異常保護、溫度保護和油門信號丟失保護。同時，還具有電機啟動保護的功能，當電源通電時，無刷電機不會馬上轉動（不管油門搖桿在什么位置上）。控制器把占空比不同的PWM波輸出到電子調速器上，電子調速器根據不同的波而產生不同大小的電流，來控制和改變無刷電機的轉速。

（4）執行模塊及電源模塊。根據本文中所選用的NI myRIO控制器的外形尺寸和重量大小，為了四旋翼擁有足夠的負載能力和機械強度，本文中選擇了一款碳纖維復合材料的機架，選用了大疆2312/800kV直流無刷電機（重56g）；選用了9450槳螺旋（13g），最大拉力可達800g/軸，滿足了整體負載要求。本文的電源選用了2200mAh、11.1V、3S鋰電池，為整個系統提供能源。

3.2 控制算法（PID）

在工業設備中，也經常用到PID調節，其微分方程為：

上式中r（t）為給定值，c（t）為實際的輸出值。

（1）比例環節（P）：控制系統的輸入輸出信號成比例的變化，一旦產生偏差，會立即產生一個成比例的信號來減小偏差，比例控制不會去除誤差，只能反映出誤差[2]。

（2）積分環節（I）：積分項是用來消除系統的穩態誤差，從而可以提高控制系統的控制精度，積分的時間常數TI在方程式的分母位置，所以其值越小積分項變化得越快，積分作用越大。

（3）微分環節（D）：主要作用是反映誤差的變化速率，并且在誤差變得太大之前，預先引入一個修正處理信號，從而加快系統調節速度減少調節時間[2]。

4 結束語

通過本次四旋翼飛行器的研究與設計，學到了很多東西。本文只是粗淺的對小型四旋翼基本結構組成的簡單介紹，不夠深入。基于結構簡單、性能優越、成本低廉和獨特的控制方式，四旋翼無人機有著廣大的應用價值，目前四旋翼飛行器的發展速度飛快，使得越來越多的人們爭相關注與研究。在之后的學習中會在小型無人機自適應控制方面多加學習與研究。

參考文獻：

[1]魏麗文.四旋翼飛行器控制系統設計[D].哈爾濱工業大學，2010.

[2]于海生.計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007：101-117.

[3]齊書浩.微型四旋翼飛行器的總體設計及其運動控制[D].上海交通大學，2013.

[4]趙金亮.微型四旋翼飛行器控制方法研究及控制器設計[D].遼寧工業大學.

[5]王偉，馬浩，孫長銀.四旋翼飛行器姿態控制系統設計[J].科學技術與工程，2013，19（7）：5513-5518.

[6]許云清.四旋翼飛行器飛行控制研究[D].廈門大學，2014.

[7]趙敏.淺談四旋翼飛行器的技術發展方向[J].科技創新與應用，2016（16）：100.