四旋翼自主飞行器

杜永博 王欣伟 石航

摘 要 四旋翼飞行器是一种以4个电机为动力系统的装置，通过控制电机的转速控制飞行器飞行的高度与飞行速度。本系统以瑞萨R5F100LEA为主控芯片，其具有程序运行速度快，控制方便快捷等优点；4个旋翼的电机采用外转子A2212/10T 1400KV无刷电机，具有转速极快，应用广泛等特点；同时，系统通过寻迹模块，陀螺仪，超声波模块，控制飞行器的运行轨迹、飞行稳定性以及飞行高度；寻迹模块采用激光传感器对轨道黑线进行寻迹，其具有速度快，精度高，量程大等优点；超声波模块采用最常见的HC-SR04超声波测距模块，可提供2cm～400cm非接触式距离感测功能，测距精度高达3mm。结合单片机对各个模块的控制协调，实现对四旋翼飞行器的控制飞行的目的。

关键词 四旋翼飞行器 传感器 控制

中图分类号：TP2 文献标识码：A

0 引言

四旋翼飞行器作为低空低成本的遥感平台，在各个领域应用广泛。相比其他类型的飞行器，四旋翼飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。本文介绍四旋翼飞行器的实现方案，包括硬件设计，软件算法。

1 系统硬件方案设计

硬件部分主要由主控模块，寻迹模块、高度检测模块，电磁铁模块、电源模块组成。下面分别介绍各个模块。

1.1 寻迹模块的选择

激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成，是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等，能非常准确地测出电动车与障碍物的距离，当垂直接受时，检测距离可达1.2米，因此符合本设计要求。

1.2 垂直距离检测模块的选择

此模块采用常见HC-SR04超声波测距模块，可提供 2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。

1.3 电磁铁模块的选择

用继电器改装电磁铁，根据电磁铁通断电流控制磁力大小的原理，继电器内部线圈的控制与电磁铁原理十分相似，因此可以利用继电器内部的通电线圈制作成电磁铁。

1.4 电源模块的选择

采用直流电池供电，相应产生电池容量小、续航时间短和系统稳定性差的缺点。但此设计本身对电源要求不高，而且飞行器飞行时间相随较短，采用11.0V蓄电池为控制系统的电调供电，经电调可输出5V电压，为单片机以及各个传感器供电。而且用此电池可支持飞行器续航10分钟以上，因此无需担心电池电量对系统稳定性的影响。

2 系统软件方案设计

2.1 陀螺仪的分析与计算

对于陀螺仪等静止时0输出的传感器，可以很方便的校正零偏。把传感器固定好，这时对输出值求平均值，得到的A即为零偏。实际使用时，把得到的值减去零偏，得到的就是校正值。A为零偏值，3*1矩阵，单位：LSB；Yi为校正好的值，3*1矩阵，单位：red/s；Xi为测量原始值，单位：LSB；gain为转换系数，单位（red/s）/LSB，有传感器的数据手册给出。

2.2 姿态的表示

飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）。更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。

因为姿态实质是一个旋转变换，根据刚体有限转动的欧拉定理，旋转变换是可以串联的，所以一个姿态可以经过一个旋转变换，变成另一个姿态。类比点和向量的概念，姿态相当于点，旋转相当于向量，点可以通过加向量，变成另一个点。如果用矩阵表示旋转，旋转的串联由矩阵乘法来实现。如果用四元数表示旋转，则由四元数的乘法来实现旋转串联。

用四元数来表示旋转，组合旋转时比用其他方法运算量更少，所以无论在计算机图形学、飞行器控制等涉及刚体旋转的领域，四元数都有举足轻重的地位。

3 结束语

系统主要完成对飞行器飞行过程中飞行的平衡、飞行时间与飞行速度的控制，通过陀螺仪与加速度计完成飞行器的平衡与速度调节控制，符合设计要求。系统控制简单，界面友好，已投入使用。

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）（第四版）.北京：高等教育出版社，1999.

[2] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京：北京航空航天大学出版社， 2003，7.

[3] 孙肖子，邓建国，陈南，等.电子设计指南.北京：高等教育出版社，2006.