四旋翼自主飞行器

洪淼淼

摘 要：四旋翼飞行器是一种结构新颖、性能优越的飞行器，具有操作灵活，带负载能力强等特点，已经被很多的科研人员所重视，在军用和民用的范围都会有很大的发展。四旋翼自主飞行器是一种四个螺旋桨与四个电调联合搭配，实现无人操作按要求飞行的设计。本系统由飞行控制器模块、电机模块、姿态采集模块、超声波测高模块、电源模块组成，采用经典PID控制作为控制算法，完成不同的运动状态，比如：上升、降落、悬停、偏航、滚转、俯仰等运动。通过仿真实验结果显示，PID控制方法能够有效地使飞行器姿态角与高度达我们想要目标值，得到了稳定的飞行状态。

关键词：四旋翼飞行器;PID控制

1前言

四旋翼飞行器机械结构较为简单且飞行的机动能力灵活，可以在小的区域内起飞，侦察，降落。四旋翼飞行器的研究价值主要在于其自主飞行的技术，对于四旋翼飞行器应用领域的特殊性，其准确度、高效性以及灵活的侦查能力得到了充分的运用，使四旋翼飞行器在世界上引起了研究热潮。

2系统方案

本系统主要由飞行控制器模块、电机模块、姿态采集模块、超声波测高模块、电源模块等组成，下面分别论证这几个模块的选择。

2.1电机模块的选择

选择直流无刷电机。直流无刷电机能量密度高、力矩大、重量轻，采用非接触式的电子换向方法，消除了电刷磨损，较好地解决了直流有刷电机的缺点，适用于对功率重量比敏感的用途，同时增强了电机的可靠性。并且直流无刷电机选用高性能的磁性材料，相较传统交流产品在效率方面提高30%～50%，节能环保;产品不需要变频装置就可以实现转速0～3000RPM范围内的调整，可以实现无极调速，控制简单，并且能将运作的实时转速以脉冲的形式通过反馈线传出，安装尺寸产品性能均较好。

2.1姿态采集模块的选择

MPU6050三轴陀螺仪。MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量六个不同方向的加速、移动轨迹以及位置的测量装置。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等优点。

2.3电源模块的选择

3S锂电池。3S锂电池能量比较高，使用寿命长，有可以使用10，000次的记录，具备高功率承受力，自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，重量轻，高低温适应性强，可以在-20℃～60℃的环境下使用，绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

2.4控制系统的选择

R5F100LEA。采用瑞萨公司所生产的R5F100LEA单片机为主控芯片，单片机算数运算能力强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且此芯片功耗低，体积小、技术成熟和成本低等优点，使其运用灵活方便。

3系统理论分析与计算

3.1飞行模式的分析

四旋翼飞行器是一种固定连接在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器。飞行器动作依靠4个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简单，可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置。四旋翼飞行器有十字模式布置方式和X模式布置方式。由于X模式布置方式动作灵活，所以使用X模式布置方式。

3.2飞行姿态的分析

姿态，是用来描述一个刚体的刚体坐标系和参考坐标系之间的角度位置关系。一般用三个姿态角表示：偏航角、俯仰角、滚转角。

图1四旋翼飞行器的坐标系

偏航角：需要将机体坐标系中的投影到地面坐标系平面上的线与的夹角。

俯仰角：机体坐标系中的与地面坐标系平面的夹角。

滚转角：机体坐标系中的轴与地面坐标系平面的夹角。

4系统设计与测试

4.1系统设计

研究飞行控制系统软件的结构，采用了模块化的设计方法来对软件控制系统进行设计，模块化设计的优点是能够简化软件设计的复杂度，并且对程序的调试等也是很方便的。整个软件的设计包括：数据采集模块，中央控制模块，电机控制模块，数据通信模块，数据仿真模块。飞行器控制系统的工作原理是把四旋翼飞行器在当前所得到的姿态数据与其给予的数据进行做差运算，再通过控制算法来进行对姿态误差信号的分析与处理，接着其主控芯片就通过电子调速器将其得到的调整信号传递给电机，我们通过改变四个电机的旋转速度来对四个旋翼的受力进行调整，进而达到对四旋翼飞行器的姿态控制。当前的姿态調整完成之后，马上会产生新的姿态，这时姿态检测系统就会重新检测调整飞行的姿态，将所测到的数据传送到主控芯片中，从而形成闭环回路控制。

4.2硬件测试

首先，先把四轴飞行器分块拆解，用最小的最轻的元件和电路板按照配重的需要安装在四轴飞行器上，并安装上保护圈。再用物理方法测量重心，使其重心维持在四轴飞行器的中心。通过电源对做好的电压转换器进行测试，使其稳定在单片机的工作范围，尽量使其保持稳定。

5结语

在对四轴飞行器试飞的过程中，虽然能够很好地飞行，但也有些不足之处需要改善，主要有：由于电机和机架的震动，加速度计对姿态的估计干扰无法消除，四轴飞行器也会往一边偏移运动。定高控制的积分限幅对实际飞行的高度影响很大。四轴飞行器的稳定飞行对四个电机或电调性能的一致性要求较高。

参考文献：

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