基于手机通讯的四旋翼飞行器设计

西北民族大学 李德军 张丕旺 彭驿猛 魏晓娟

基于手机通讯的四旋翼飞行器设计

西北民族大学 李德军 张丕旺 彭驿猛 魏晓娟

针对四旋翼飞行器，利用手机通讯实现了对飞行器姿态的简单控制。四旋翼飞行器选用STM32F407VGT6作为控制芯片，并且利用MS5611气压传感器和US-100超声波模块对飞行器的高度进行实时采集。四旋翼飞行器使用蓝牙进行通信，再通过PID算法控制飞行器状态。

四旋翼飞行器；蓝牙；PID

近几年人工智能和计算机技术飞速发展，适用于四旋翼无人机的芯片也越来越多，四旋翼飞行器因具有升降、悬停、前后、左右等基本功能，在外加各种模块之后在拍照、资源勘探、森林救灾、新闻报道等领域的表现超然卓绝。

1.系统设计构架

如图1所示，四旋翼无人机的飞行控制系统简称飞控，飞控是无人机的核心，硬件主要有中央处理器（MCU），气压计、三轴陀螺仪、三轴加速度计等传感器，以及各种输入输出控制电路组成。

在基于MEMS（微电子机械系统）技术的陀螺和加速度计中，陀螺仪测量物体沿某一轴转动的角速率，加速度计测量物体的重力加速度分量。MCU接受并处理遥控指令和传感器输入信号，经过快速复杂的运算，实现对飞机的姿态调控，同时用户可通过手机APP以蓝牙通讯的形式实现对飞机的飞行控制。

四旋翼无人机由飞行控制模块、对称交叉分布的四个电机、电池模块、机架以及与电机对应的正反桨叶组成。飞行控制模块位于机身中央，四个电机分别控制四个旋翼构成无人机的动力系统，通过对四个电机转速的控制改变电机所提供的扭矩，能够实现无人机在空间六自由度运动。

2.系统硬件设计

2.1 飞行原理

四旋翼飞行器选用型号相同的电机，按照四个电机的旋转方向可分为顺时针电机和逆时针电机，顺时针电机和逆时针电机交叉分布，旋翼的旋转方向与其所在位置有关，相邻方向的电机转动方向是相反的，同一对角线的电机旋转方向相同，同时正转电机搭配的正面桨叶与反转电机搭配的反面桨叶在旋转时产生的推力确保了飞行系统的扭矩平衡，保证四旋翼飞行器不会产生自旋现象。

2.2 器件选型

MCU主要采集传感器的信息并实时解算机体的姿态角，控制电机转速以及传输飞行数据，飞控芯片选用STM32F407VGT6，该芯片工作频率达到了168MHZ，集成了高速嵌入式存储器，闪存高达 1MB，SRAM 高达 192KB，同时拥有非常丰富的可扩展的外围扩展接口[1]，可满足目前绝大部分市场性能要求。

3.飞行姿态控制

3.1 飞行姿态的表示

在飞行器的控制过程中，飞行器的姿态检测是不可或缺的部分，位于三维坐标中的三个姿态角是不能通过现有传感装置直接测量的，所以只能通过陀螺仪、加速度计等测量出实时角速度，再将将速度在一段时间内进行积分，便能得到运动的角位移，再将这个角位移在三个维度上分别积分，就能得到飞行器在三维空间中的航向角、横滚角和俯仰角。而飞行器的姿态便可用得到的横滚角、航向角以及俯仰角来准确描述。

图2 飞行姿态示意图

如图2所示，用航向角来描述飞行器在平面上的自旋角度，用俯仰角来描述飞行器前后方向在同一平面的高低，横而滚角则用来描述飞行器左右方向在同一平面的高低。

3.2 上位机设计

上位机软件应用JAVA语言，采用eclipse作为系统开发平台进行设计，并将该设计移植到安卓5.0版本的手机上，该设计一共分为两层，分别为：连接飞控（查找与匹配蓝牙）、控制飞行（运用安卓重力感应和电子罗盘对飞行的航向控制以及姿态比例控制）、飞控校准（三轴陀螺仪、加速度计、磁力计校准）、电调校准（对飞行器的横滚角、俯仰角、航向角、油门进行校准）以及飞控参数设置（6组PID参数的读取和写入）。

3.3 姿态解算

姿态解算的目的是将陀螺仪、加速度计和磁力计测量的姿态信息解算成无人机的实时姿态角，并作为系统的反馈量。陀螺仪直接测量无人机的角速率，对时间积分后得到飞行姿态角，短时间内其测量精度高，但由于噪声等影响，积分误差不断累积，长时间测量会导致其低频干扰和漂移。[2]

图3 姿态解算流程图

在陀螺仪校准的方法上一般有两种，一种是互补滤波，另一种方法便是本系统用到的卡尔曼滤波，但是互补滤波在最佳PI参数的选取上会存在困难，同时容易使系统产生较大的延时。反观利用卡尔曼滤波不仅可以克服互补滤波的缺点，而且还能在姿态角发生突变时，卡尔曼滤波器能快速感知这种变化并迅速做出调整。

离散卡尔曼滤波器递推算法如下：

其中，矩阵Q为噪声W（K）的协方差，R为噪声v（k）的协方差。

3.4 算法实现

PID 控制：调节器的输出是输入的比例、积分、微分的函数。根据系统输入的偏差，按照PID 的函数关系进行运算，其结果用以控制输出。

将PID算法离散化

Kp为比例系数，PID算法里的动态参数，反应系统对指令的响应速度快慢；

Ti为积分系数，PID算法里的稳态参数，用于消除静差，反应系统的稳定性能；

Td为微分系数，用于跟踪超调量保证系统无反复振荡现象，使得系统具有自适应的特性。

4.总结语

依据飞行器飞行原理设计出系统的硬件以及与系统搭配的软件，可以实现手机APP与飞行器之间通信，进而对其飞行姿态进行控制，控制飞行器前后左右上下六个维度的平稳飞行，同时如果再加上GPS模块，可实现飞行器的定点悬停。

[1]廖义奎编著,ARM CORTEX-M4嵌入式实战开发精解:基于STM32F4[M].北京航空航天大学出版社,2013.07:13.

[2]廖懿华,张铁民,廖贻泳.基于模糊——比例积分偏差修正的多旋翼飞行器姿态测算系统[J].农业工程学报,2014,30(20):19-27.

Design of Quadrocopter Based on Mobile Communication

Aiming at the quadrotors，the control of aircraft posture is realized by using cellular communication.The four-rotor aircraft USES STM32F407VGT6 as the control chip and USES the MS5611 pressure sensor and the us-100 ultrasonic module to collect the aircraft in real time.The quadrotors use bluetooth to communicate and control the vehicle state through the PID algorithm.

four rotor aircraft；Bluetooth；The PID

李德军（1995—），重庆万州人。

张丕旺（1995—），湖北武穴人。

彭驿猛（1995—），湖南张家界人，大学本科，现就读于西北民族大学。

魏晓娟（1988—），甘肃兰州人，硕士，讲师，主要研究方向：控制工程。