基于Esp32的四旋翼無人機系統及其基本控制

張道宏 鐵振弘

摘要：本系統基于Esp32控制器，使用4個820空心杯電機，制作小型四旋翼無人機，能實現空中自平衡，紅外自避障，并簡要介紹了四旋翼無人機在6個自由度上的控制方法及原理。

關鍵詞：四旋翼無人機;嵌入式應用;ESP32

中圖分類號：TN929.54

引言

無人機就是利用無線遙控或程序控制來執行特定的航空任務的飛行器，普遍運用在當代工業，軍事上。無人機采用空氣動力為飛行器提供所需的升力，特別的，四旋翼無人機采用四個螺旋槳，通過控制不同螺旋槳電機的轉速實現無人機在三維中的移動，旋轉。

雖然無人機的定點作業目標一般不會非常復雜，但是在高空中，無人機作業的不可控因素過大，比如說由于氣壓的不穩定，無人機的四旋翼即使在相同的轉速下，產生的力也可能不同，或者由于在高空，無人機將收到完全不可控的來自于各個方向上的風阻。再者，無人機的硬件磨損等將使得四旋翼的電壓無法達到預期電壓，即四旋翼的轉速控制可能產生相應的誤差。因此即使訓練有素的無人機操控者也無法在高空中穩定地操控無人機作業。

因此，本文介紹了一種基于Esp32的四旋翼無人機的實現方式，能夠使用無線遙控控制無人機的移動，對外界的不可控干擾可以自發地調整四旋翼電機快速對干擾做出反應，在風較小的環境下實現自平衡，并通過紅外測距實現自避障。

1.無人機構造

本系統無人機采用四旋翼結構，主控板集成Esp32，驅動，陀螺儀，紅外測距，放置在整個無人機的重心處，四個空心杯電機對稱分布在無人機的四周，空心杯電機上方裝有小型螺旋槳，提供升力。

1.1 Esp32主控制器

ESP32 是由樂鑫公司推出的一款采用高性能 Xtensa? 32 位 LX6 雙核處理器的微控制器，集成了天線開關、射頻 balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊，整個解決方案占用了最少的印刷電路板面積。2.4 GHz Wi-Fi 加藍牙雙模芯片采用 TSMC 低功耗 40nm 技術，具有最佳的功耗性能、射頻性能、穩定性、通用性和可靠性，適用于各種應用場景和不同功耗需求。

1.2無人機電源

無人機對各模塊重量有著較高的要求，過重的電池會導致無人機難以平衡，因此市面上的無人機一般都采用鋰聚合物電池，相對普通電池來說，鋰聚合物電池具有超薄化特征，可以做成各式各樣的小型電池，較適合于無人機的使用。

1.3陀螺儀

無人機的平衡，移動，升降都離不開陀螺儀提供的三軸角度，因此選擇一個合適的陀螺儀是無人機研發的重要環節。本系統采用Mpu6050陀螺儀芯片，其能輸出三軸角速度及角加速度，并自帶旋轉矩陣，四元數，歐拉角格式的融合演算。

1.4電機驅動

本系統采用4個820空心杯電機控制螺旋槳旋轉。采用L9110S芯片驅動，L9110S是一款低成本直流電機驅動集成電路，廣泛應用于玩具汽車無人機的電機驅動。本系統使用ESP32輸出pwm信號至L9110S，驅動空心杯電機，其電路如下：

1.5無人機外形

無人機在空中移動過程中，受到的主要阻力即為不可控分風阻，為了使無人機的所受的阻力盡可能地小、均勻，應當將無人機的外殼設計為流線型，本設計PCB板即為流線型的設計。使用四個等半徑的圓弧，與四個等徑圓交織形成流線型中心對稱的無人機板。

2.無人機的基本控制

無人機的基本控制主要分為：上升下降，自轉，前后運動，側向運動。

1.上升下降

無人機在豎直方向上主要受到兩個力，分別為無人機機身的重力G以及四個螺旋槳提供的升力F。當F=G時，無人機的高度將保持不變;當F>G時，無人機逐漸升高;而當F<G時，無人機逐漸下降，其升高或下降的速度及加速度滿足以下公式：

其中v為升高或下降的速度，a為加速度，v為豎直方向上的初始速度，當無人機的豎直方向上靜止時，v0=0。但在無人機中，無法直接測得無人機所提供的升力以及無人機的所受的重力，因此一般采用PID控制使得無人機達到目標高度。具體控制如下：

規定以下符號：

高度計測得當前高度ht，

無人機的新期望高度h1，

四個空心杯的初始電壓v0，

四個空心杯的當前電壓vt，

無人機的上升下降速度S。

在每一個時刻，令高度差值dh=h1-ht。通過單片機控制vt=v0+S*dh。當dh較大時，四個空心杯的電壓較高，轉速較快，無人機的上升速度較快，而當無人機接近目標高度時，dh較小，無人機停止上升，最終停留在目標高度，實現無人機對目標高度的控制。在實際運用中，一般采用PID的控制方式使得目標控制更加平滑，高效。在該控制目標中，采用位置式PID，輸入量為ht-h1，輸出量為電壓增量dv，其與vt的關系應當滿足vt=v0+dv。

2.自轉

為了保證四懸翼飛行器偏航角的穩定，飛控模塊會調整四個電機的速度來保證這兩個旋轉力矩可以被互相抵消進而保證飛機不會自旋，因此，如果想讓無人機自轉的話，主要打破這個平衡即可，即按照圖中的旋轉方向，增加 1 4 的轉速，減少 2 3 的轉速可以在保證姿態穩定的條件下將飛機逆時針轉動;減少 1 4 的轉速，增加 2 3 的轉速可以在保證姿態穩定的條件下將飛機順時針轉動。

3.前后運動及左右運動

為了使無人機產生在14方向上的扭矩，則應該令電機1加速，電機4減速，電機2、3保持不變，使得無人機產生一定的傾斜，無人機就會得到水平方向上的力，即可朝著14方向移動。相反，加速電機4，減速電機1，其余兩電機保持不變即可朝著41方向移動。左右運動同理。

在各個控制方向上，使用并級PID控制連接，則能協調各個無人機的參數，使其同時達到平衡，并完成特定的移動目標，即完成移動控制。

3.無人機的校準與自平衡

3.1無人機的校準

無人機的校準是無人機保持平衡的關鍵步驟之一。無人機在空中保持平衡主要依賴于陀螺儀的x，y，z軸三軸偏向角，因此需要取陀螺儀零位角作為基準角。具體方式為，將無人機放在水平的地面上，按下校準鍵，主控單片機將此時的陀螺儀的三軸角度保存為基準角（P0，Y0，R0）。當無人機起飛后，對當前時刻的三軸角（Pt，Yt，Rt）與基準角做差即可得到在三個方向上角度的期望改變量（Pd，Yd，Rd）。

3.2不可控誤差的消除

無人機在飛行過程中，受到風阻，壓強，機身不平衡，電壓不穩定等繁多的不可控因素。因此，在無人機控制算法中，需要包含一定的控制算法以消除這些不可控因素。本研究擬針對誤差的不同種類型，采用不同的消除誤差方式，具體如下：

參數采樣誤差：

無人機在采集自身參數時，由于電壓的不穩定，模塊的精準度有一定的局限性，無法使得獲得的參數達到完全的精準。因此，對于參數的采樣誤差，擬采用卡爾曼濾波，對參數的采樣進行濾波，提高獲取參數值的可靠性及穩定性。

風阻誤差：

無人機在高空飛行中，所面臨的風阻可能來源于各個方向，并且強度未知。轉換為物理模型即可以理解為無人機將收到來自于隨機方向上，且強度不定的力。為了消除這種力，首先我們對該力進行分析，并命名為f。f的大小總體將滿足高斯分布，方向完全隨機。因此在計算受力分析時，應該同時包含f的受力。

在每一個時間周期后，無人機將返回自身的位置參數，同時計算出無人機當前的位置參數與上一個時刻的期望位置參數的差值。而此刻造成該誤差的原因即為不可控因素所造成的誤差，此時即可定性分析不可控誤差所造成的影響，并在下一個時刻嘗試抵消該不可控誤差，并在下一個時刻更新不可控誤差的分析，如此反復即可最終實現盡可能的消除無人機所受的不可控誤差。

3.3紅外測距自動避障

無人機板載四個紅外測距，朝向四個無人機方向，時刻檢測無人機的各方向上是否有障礙物。具體擺放方式如下：

當無人機在某個方向上的障礙物距離小于特定值a時，緊急停止無人機在該方向上的移動，并反饋在飛控系統當中。必要時應當產生在相反反向上的移動目標，以實現四旋翼無人機的紅外自動避障系統。

4.結語

四旋翼無人機主要通過改變4個電機的轉速來調節螺旋槳的轉速，控制螺旋槳的升力以實現對無人機的垂直起降，自由懸停，自轉，前后左右移動的六個自由度上的移動控制。這些優勢決定了他是一種軍民兩用的高科技設備，從當前國內外的諸多領域中可以了解到，四旋翼無人機當前已經能夠完成各種各樣復雜及危險的任務，實踐價值較高。