植保四轴无人飞行器关键技术探讨

桂花

（祁阳县农机局，湖南 永州 426100）

植保四轴无人飞行器关键技术探讨

桂花

（祁阳县农机局，湖南 永州 426100）

笔者首先介绍了四轴飞行器的机械结构及飞行原理，然后分析了飞行器控制系统的软硬件设计，最后探讨了飞行器姿态数据的获取与解算以及实现飞行器稳定飞行的控制算法，希望能够为今后相关问题的研究提供一定的参考依据。

植保；四轴飞行器；关键技术

1 四轴无人飞行器的机械结构

无人飞行器通常可以分为两大类，一类是旋翼机，另一类是固定翼。在这两种类型中，旋翼机在飞行器中非常普遍。根据旋翼机翼数量的不同，又可分为单旋翼和多旋翼两种具体类型。四轴无人飞行器和直升机一样，都是旋翼机中的一种，但是和直升机相比，四轴无人飞行器的结构有着很大的不同。

图1 “十”字型和“X”型两种飞行控制方式

现阶段，四轴无人飞行器的机械结构安排比单旋翼直升机简化了很多，在系统的可靠性方面有了很大的提升。结合当前四轴飞行器的实际情况来看，四轴无人飞行器控制的主流方式主要有“十”字型和“X”型两种。“十”字型控制飞行器水平运动方向与轴臂平行，“X”型控制则是飞行器水平运动方向与轴臂形成一定的夹角。两种不同方式的控制具体如图1所示。

2 四轴飞行器的飞行原理

四轴飞行器更多情况下是一种多旋翼飞行器，这也就造成了它的控制与多旋翼飞行器在很多地方比较相似，因此只要将飞行器各个方向的控制量通过软件合理的分配到多旋翼的各个旋翼，既可以实现飞行器的稳定运动控制。四轴飞行器在运行过程中主要存在四种飞行状态：垂直飞行、俯仰飞行、横滚飞行以及偏航飞行。这四种飞行运动可以改变各旋翼的转速来实现，由于四轴飞行器是一种四输入，六自由度的不稳定的强耦合系统，所以在程序控制中需要考虑旋翼之间协调控制，最终控制飞行器的姿态稳定。

3 四轴飞行器控制系统设计

3.1 系统总体设计

四轴飞行器主要包含飞行器主体和地面控制与监控设备两大部分。四轴飞行器主体包含提供主要动力的四个无刷直流电机及其驱动、实时检测飞行器姿态的多传感器模块、无线通信设备等。地面系统主要包括提供飞行控制命令的无线遥控设备，提供参数修改和数据监测的无线设备和计算机监控设备。

3.2 系统硬件设计

（1）无刷直流电机选型。植保四轴飞行器必须具有一定的带负载能力，针对其研究实验必须选用功率相对较大的无刷直流电机和相关的驱动装置，保证控制模型相似。同时为了保证试验过程的安全，以及解决试验中供电问题，选择功率适中的无刷直流电机。

（2）飞行控制处理器。四轴飞行器的控制系统是一个对实时性和数据处理能力要求比较高的系统，需要同时处理多路复杂的数据，比如遥控器的电平宽度的捕获，电池的电量采集，姿态模块的数据采集和处理，四轴旋翼电机的控制量的输出等。控制系统不仅要求处理能力强，还要求自身的质量轻、体积小，适合安装在飞行器上。

（3）无线装置。根据植保四轴飞行器的作业要求，虽然大多时间都在可视距离内，但数据传输的距离较大，所以对无线传输设备的传输功率有一定的要求。试验平台中的无线装置包括发送指令的遥控设备和用于监控的数据传输设备，为了更好地满足实验要求，采用了传输距离相同的天地飞二代遥控接收装置和3DR串行无线数据传输装置。

（4）无刷电机驱动设计。无刷直流电机是属于交流电机，它与普通的有刷直流电机存在很大的差异，普通的直流电机驱动电路比较简单，基本上用脉宽调制电路和功率放大电路组合就可以实现电机的驱动和调速控制。而四轴飞行器上采用的无刷直流电机是一种外转子的电机，将磁钢做成一片片，贴到了外壳上，电机运行时，是整个外壳在转，而中间的线圈定子不动。

3.3 系统软件设计

（1）系统程序初始化。STM32系统上电时，默认执行系统上电复位程序，因此开启系统后需要对系统进行程序初始化设置，系统初始化的程序一般只需要执行一次，主要完成系统的某些初始化的设置。程序初始化设置主要包括时钟的初始化、端口的初始化、主要系统参数的初始化和读取系统内部资源等。在系统启动后，通过短暂的延时等待系统各部分正常工作。

（2）软件系统资源分配。根据系统中采用的定时器资源，以及系统硬件各部分的联系，程序初始化时对处理器与外部相连的 GPIO口进行了相关的设置，根据相关研究对飞行控制系统的主要资源端口的说明，其中对于用到的端口均根据STM32中 V3.5版本中库函数进行了相应的设置，并且在后续的试验中均工作正常，有效的验证了资源分配的合理性。

4 无人飞行器姿态数据的解算与姿态控制算法

（1）姿态数据解算。姿态解算的最终目的是获取飞行器在某一时刻准确的姿态角度，硬件系统中包含了加速度计和陀螺仪两种测量姿态角度的传感器。加速度计具有很好的静态性能，在静止状态下能够准确的测量当前机体自身相对地面坐标系的姿态角度；而陀螺仪则具有较好的动态性能，通过积分的方式获取机身姿态角度相对初始角度的变化量来获取机身当前的姿态角度。这两种方式都存在各自的缺陷，采用陀螺仪积分得到的角度随着积分时间增加，偏差越来越大。

（2）姿态控制算法。根据四轴飞行器飞行运动的原理分析，飞行器整体上属于一种四输入，六自由度的欠驱动、强耦合的不稳定系统，对于系统的整体建模分析相对比较复杂。但是，通过数据分析后将机械机构对称安装，可以很好地抑制飞行器自身的不稳定。根据飞行器的对称性，可以对飞行器的某个维度实施单独控制，将飞行器每个维度控制稳定后，在将所有的控制结合起来，只需要对其控制参数进行微调就可以达到稳定的整体效果。对于四轴飞行器的姿态控制主要包括横滚方向、俯仰方向和航向角的控制，因此四轴飞行器的四个旋翼的控制量主要由油门量、横滚方向输出量、俯仰方向输出量和航向角控制量四部分组成。

5 结语

总而言之，四轴无人飞行器的发展速度非常快，应用在农业植保作业中，取得了巨大的经济效益。但是四轴无人飞行器在农业植保应用领域仍然存在一定的问题，需要在日后的发展中作进一步的研究。

［1］邓矛.关于四轴飞行器的姿态动力学建模［J］.科技创新导报，2014，12，（9）：256-256．

Discussion on Key Technology of Plant Protection Four-axis Unmanned Aerial Vehicle

HUI Hua
（Qiyang County Agricultural Machinery Bureau，Yongzhou，Hunan 426100，China）

The paper firstintroduces themechanicalstructure and flightprinciple of the four-axisaircraft，and then analyzes thehardware and software design of theaircraftcontrolsystem，finally discusses theacquisition and calculation of theattitude data of the aircraft and the control algorithm of the stable flight of the aircraft，hoping to provide a reference for the problem of research.

plantprotection；four-axisaircraft；key technology

S252.3

A

2095-980X（2017）05-0117-02

2017-04-30

桂花（1982-），女，助理工程师。