基于ESP32-CAM的四旋翼無人機設計簡析

王安平 項陽 沈琴

摘要：該系統基于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：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0086-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機因為其自由度高，飛行成本低，操控性強等特性適用于一些危險的任務。在軍事上以及民用領域都起到相當的關鍵作用。隨著信息網絡的發展和科技的進步，無人機的應用鄰域還在不斷地擴大延伸。

盡管無人機在高空飛行的過程中不會碰到太多的障礙物。但是飛行高度越到上方，空氣的流動就越不穩定，溫度和氣壓都會對無人機產生或大或小的影響。因此，四旋翼無人機想要在高空完成穩定并且精準的飛行，必須要借助于成熟的控制算法甚至是一些人工智能的幫助。

物聯網被稱作計算機和互聯網之后的第三次信息技術革命浪潮，以物聯網和人工智能為基礎的工業理念正成為現實，采用數字化工廠實現全方位、全周期生產管控，可以在制造環節顯著提高生產效率并降低質量缺陷率，獲得顯著的經濟效益[1]。智能制造即借助計算機建模仿真和信息通信技術的巨大潛力，優化產品的設計和制造過程[2]。

因此，本文將簡易闡述一種基于ESP32-CAM的四旋翼無人機的實現方式，能夠利用ESP32的Wi-Fi功能在局域網內建立一個控制頁面，操縱者利用手機或者電腦客戶端的瀏覽器對無人機進行訪問、配置和控制。并且探討在微小的擾動下，無人機如何恢復姿態穩定并且保持平衡。

1 無人機構造

本文介紹的無人機采用四旋翼架構，其優點為靈活性高、可操控性強。主控搭載了Ai-Think公司的ESP32-CAM控制器、電機驅動模塊、陀螺儀模塊、電源模塊，紅外測距模塊以及四個呈對稱分布的820空心杯電機及空心杯電機配套的升力槳葉。

1.1ESP32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、低噪聲放大器、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和藍牙雙模芯片采用 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

重量分配是無人機設計中一個非常重要的環節。配件重量是否低于無人機空心杯所帶來的升力是無人機能否起飛的關鍵；而配件重量是否相對于無人機呈對稱分布，重心是否位于無人機中心點位則是無人機平衡與飛行穩定的關鍵因素。所以，在配件選擇方面，一般更傾向于選擇重量較為輕便的裝置組成無人機整體。在此次無人機設計中，筆者使用鋰聚合物電池，相對于一般電池來說，鋰聚合物電池具有超薄化的特性，可以制造成各種小型電池，是小型無人機電池的主流選擇方案。

1.3陀螺儀

無人機的平衡是無人機起飛最重要，也是最基礎的一個部分，一架無人機能否穩定地處于平衡狀態是評判無人機好壞的重要標準。而無人機的平衡則首先要通過陀螺儀得出無人機當前的姿態，再依靠控制算法對空心杯進行控制，使無人機處于平衡狀態。本系統采用MPU6050陀螺儀模塊，可通過I2C通訊協議向單片機傳送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空心杯電機提供升力。采用L9110S芯片驅動，L9110S是一款低成本的電機驅動電路芯片，其小巧的體積以及廣泛應用于無人機以及玩具汽車等嵌入式產品。通過ESP32-CAM引腳上產生的PWM信號，L9110S會依據其占空比使用電源的高電壓直接驅動空心杯，電路設計如下：

1.5無人機外形

無人機在飛行移動的過程中，不斷變化的氣流以及運動時受到的風阻都會在一定程度上削弱無人機的飛行穩定性和運動精準度。為了使無人機所受到的干擾盡可能減小，無人機的外形采用了對稱結構設計，空心杯的承受架盡可能做到細小輕便，為槳葉產生的氣流騰出空間以產生更大的升力，幫助無人機完成飛行活動。

2 無人機基本控制

無人機的控制分為：起飛降落、上升下降、偏航運動、滾轉運動、俯仰運動以及由以上基本動作組合而成的復合運動。

2.1上升與下降

無人機在豎直方向移動的過程中主要受到兩個作用力，無人機整機自身的重力（G）以及由空心杯電機帶動螺旋槳所帶來的升力（F）。當無人機的升力大于無人機的重力時，無人機將會呈上升狀態，當無人機的升力小于無人機的重力時，無人機將逐漸下降，當無人機的升力與重力相等，無人機將保持一定高度的穩定。

當控制單元輸出高頻率的PWM到空心杯電機，無人機的升力將過分大于重力，此時無人機將快速上升，其上升的速度滿足以下公式：

其中v得出的是無人機快速升高的速度，同理無人機在下降的過程中同樣也滿足以上公式。

2.2偏航運動

無人機的偏航運動，也就是無人機繞自身中心點進行平面旋轉的過程，其物理原理是無人機空心杯旋轉所帶來的扭矩。

如圖5所示，如果增加1號空心杯與4號空心杯的旋轉角速度，減少2號空心杯與3號空心杯的旋轉角速度，便可以使無人機繞著無人機中心逆時針轉動；反之，如果減少1號空心杯與4號空心杯的旋轉角速度，增加2號空心杯與3號空心杯的旋轉角速度，便可以使無人機繞著無人機中心順時針轉動。如果想要無人機不圍繞中心做任何轉動，便要求2、3號電機的旋轉角速度與1、4號電機的旋轉角速度達到微妙的動態平衡，此功能利用后文介紹到的自動控制算法可以實現。

2.3偏航運動

無人機的滾轉運動與俯仰運動在實質上可歸類為一種運動，只是基于不同坐標軸的不同表現。此處筆者著重討論俯仰運動為例。想要無人機完成俯仰運動，只需要控制前方的兩個電機與后方的兩個電機同時做出不一樣的功率輸出即可，即減弱前兩個電機的旋轉角速度，讓無人機的前端升力略小于重力，使得前端微微向下傾斜；抬升后端兩個電機的旋轉角速度，讓無人機后端的升力大于重力，使得后端微微上翹，即無人機整體便完成俯仰運動中的俯動作；同理，增加前兩個電機的功率減小后兩個電機的功率即可以完成仰頭動作。

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達到平衡的第一步，無人機校準分為陀螺儀的校準以及無人機整機的校準。其中陀螺儀校準是消除溫度氣壓及其微小環境因素所帶來的數據偏差，以得出最準確的角速度以及角加速度。無人機整機校準則是輸入初始零位角給單片機。無人機整機校準的具體方式為：將無人機放置到水平的地面上，保持其穩定并且周圍沒有微風與氣流，輕輕按下校準按鍵，靜靜等待直至校準信號指示燈亮起，在等待過程中不要觸碰無人機整機或改變其位置與姿態。在得到零位角以及準確的角速度以及角加速度后，運用自動控制算法將零位角與由角速度以及角加速度計算出的歐拉角所得到的偏差進行換算，得到應輸出給空心杯電機的PWM信號，從而改變空心杯的旋轉角速度來穩定無人機。

3.2 無人機飛行控制理論

針對無人機飛行平穩性的問題，大多都是通過傳統的PID控制、滑模控制、反步法、魯棒控制等算法來實現的[3]。在本系統中筆者采用最簡單傳統的無人機控制算法作為基礎，即經典的PID控制算法對無人機進行平衡控制。

在進行算法控制之前，首先需要得到算法需要的數據，也就是歐拉角，通過MPU6050得到的角速度以及角加速度代入如下計算公式，即可計算出歐拉角中的pitch（俯仰角）和roll（滾轉角）。

當得到無人機的歐拉角后，將其作為無人機當前的姿態數值代入算式，同時設定一個無人機飛行的期望數值，一般情況下無人機飛行的期望數值可以由無人機校準時的零位值代替。將兩者帶入PID算法的公式：

同時根據公式以及得出的數據，在單片機中進行算法的編寫，通過比例、積分、微分，最終得出4個空心杯的PWM值，再通過電機驅動輸出到820空心杯電機上。

3.3無人機飛行控制理論

小型無人機的應用場景多見于低空飛行或者是室內飛行，在此條件下，無人機躲避障礙物就成了一個非常關鍵的功能。

在無人機四周裝載上紅外測距模塊，在無人機的飛行過程中，時刻檢測無人機距離周圍障礙物的距離，判斷是否到達危險區域。

當無人機在某方向上的障礙物小于設定的危險閾值時，則立刻停止無人機在此方向上移動的速度分量，改變空心杯的運轉方式使其穩定在當前位置甚至往反方向進行適當路程的移動。并且通過遠程通信手段給操作者發送危險信號，告知操縱者無人機已經到達危險區域，撤出原有的操作指令，請求新的操作。

紅外測距模塊避障模式在一定程度上保障了無人機的飛行安全，但也限制了無人機的一些自由度，系統上可以更改無人機危險閾值的配置以及關閉避障功能來恢復無人機的靈活度。再利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人和物等通過新的方式聯系在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡[4]。

4 結束語

四旋翼無人機通過各種傳感器獲得的數據，通過算法將這些數據換算成空心杯電機的功率，其所帶來的無人機整體四個端點的升力的不同組合，使無人機完成各種復雜的動作或者是精準穩定的懸停。其超高的自由度以及低成本等優勢決定了四旋翼無人機在今日不可撼動的地位。如今四旋翼無人機已經可以完成各種各樣復雜的任務，將5G通信技術下的大數據與AI、泛互聯網相結合，完善互補運行機制，將成為當今時代先進的生產力工具[5]。

參考文獻：

[1] 周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[2] 張曙.工業4.0和智能制造[J].機械設計與制造工程，2014，43（8）：1-5.

[3] 王成，楊杰，姚輝，等.四旋翼無人機飛行控制算法綜述[J].電光與控制，2018，25（12）：53-58.

[4] 陳文偉，朱玉坤，張寧池，等.面向能源互聯網的5G關鍵技術及應用場景研究[J].電力信息與通信技術，2021，19（8）：83-90.

[5] 徐曉峰.5G物聯網技術驅動下高校真人圖書館服務創新策略研究[J].圖書館工作與研究，2021（8）：62-68.

【通聯編輯：唐一東】