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四軸飛行器屬旋翼飛行器，具有操作簡(jiǎn)單、控制靈活，便于起降， 可以懸停等優(yōu)點(diǎn)，它小巧的體積可以適應(yīng)于很多的用途。四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單一直升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)生更大的升力，同時(shí)可以通過(guò)反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專門的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對(duì)于操作者的要求不高等特點(diǎn)，這對(duì)于廣泛的應(yīng) 用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，因此對(duì)于四軸飛行器 的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 隨著科技的發(fā)展，人們生活的節(jié)奏也越來(lái)越快，隨之人們對(duì)方便，快捷的要求也隨之不斷增高。遙控器的出現(xiàn)，在一定程度上滿足了人們這個(gè)要求。遙控器是由高產(chǎn)的發(fā)明家Robert Adler在五十年代發(fā)明的。而紅外遙控是20世紀(jì)70年代才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種遠(yuǎn)程控制技術(shù)，其原理是利用紅外線來(lái)傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)距離控制，具體來(lái)講，就是有發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號(hào)，有接收器接收下來(lái)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的各種功能的遠(yuǎn)程控制。
紅外遙控具有獨(dú)立性、物理特性與可見(jiàn)光相似性、無(wú)穿透障礙物的能力及較強(qiáng)的隱 蔽性等特點(diǎn)。隨著紅外遙控技術(shù)的開(kāi)發(fā)和迅速發(fā)展，很多地方都應(yīng)用了紅外遙控，而飛 行器也不例外。從單純的在飛行器控制面板上通過(guò)按鈕控制，到 10 米以上遠(yuǎn)距離
的遙 控，雖然改變不大，但其帶來(lái)的便利無(wú)疑是巨大的。而紅外遙控技術(shù)的成熟，也使得遙控器控制飛行器變得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。 小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢(shì)在于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且只需改變四個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)控制，飛行機(jī)動(dòng)能力靈活。另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有小區(qū)域范圍內(nèi)起飛、盤旋，飛行、著陸的能力。小型四旋翼飛行器研究也為自動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多領(lǐng)域的融合研究提供了一個(gè)平臺(tái)。 本設(shè)計(jì)主要通過(guò)stm32單片機(jī)識(shí)別遙控器發(fā)出的信號(hào)對(duì)四個(gè)直流小電機(jī)進(jìn)行速度控制，由電機(jī)帶動(dòng)四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的加速、減速、升降、前后左右移動(dòng)等功能。內(nèi)容涉及力學(xué)分析、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微型計(jì)算機(jī)控制等學(xué)科領(lǐng)域。 設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下主要功能： 基于stm32單片機(jī)，用遙控器控制飛行器啟停、加減速、前進(jìn)后退、左右側(cè)飛以及左右轉(zhuǎn)； 二 主要部件設(shè)計(jì)選擇及介紹組成結(jié)構(gòu)如下： 四軸飛行器主要組成： 1、遙控器 MCU STM32F103C8T6Cortex-M372MHz64K(Flash)20K(SRAM) 交互 0.96 寸藍(lán)色 OLED 通信 NRF24L01++PA+3dbi 天線 2、飛行器 MCU STM32F411CEU6Cortex-M4100MHz512KB(Flash)128K(SRAM 傳感器 MPU9250（ 3 軸加速計(jì)+3 軸陀螺儀+3 軸磁力計(jì)）+BMP280（氣壓傳感器） 通信 NRF51822-QFAA2.4G 槳葉 716 空心杯電機(jī) +48mm 槳葉 對(duì)角電機(jī)軸距 92mm*92mm 電池 3.7V/250mAh 鋰電池 充電時(shí)間 30min 飛行時(shí)間約 9min 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)： 圖2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 2.1 遙控器2.1.1 通道遙控器用于發(fā)送各種控制指令，常用通信頻段為 2.4G。四軸飛行器的控制至少需要4個(gè)通道，功能越多需要的通道數(shù)越多。通道就是遙控器可以控制飛行器的動(dòng)作的路數(shù)，一個(gè)通道控制一個(gè)動(dòng)作，比如油門的高低 控制就使用掉一個(gè)通道，方向的控制又使用掉一個(gè)通道。四軸的基本動(dòng)作有垂直（升降）運(yùn)動(dòng)，俯仰\前后運(yùn)動(dòng)，橫滾\側(cè)向運(yùn)動(dòng)，偏航運(yùn)動(dòng)，所以遙控器最低要求四通道。實(shí)際我們還需要預(yù)留一些額外通道來(lái)控制其他的部件，所以最好選用六通道遙控器。 2.1.2 日本手、美國(guó)手遙控器按操作習(xí)慣可分為美國(guó)手和日本手兩種，這個(gè)是根據(jù)遙控器搖桿的布局取得俗名。我們使用的是美國(guó)手。美國(guó)手：說(shuō)左手搖桿負(fù)責(zé)油門和偏航，右手搖桿負(fù)責(zé)俯仰和橫滾。左手搖桿上下為油門控制， 左右是偏航控制；右手搖桿上下為俯仰控制， 左右為橫滾控制。對(duì)應(yīng)的另外一種遙控為日本手。 左手搖桿負(fù)責(zé)俯仰和偏航， 右手搖桿負(fù)責(zé)油門和橫滾。 2.2 飛行控制器飛行控制器是四軸飛行器的核心，用來(lái)控制四個(gè)電機(jī)協(xié)調(diào)工作，檢測(cè)飛行器高度、姿態(tài)，自動(dòng)調(diào)節(jié)飛行動(dòng)作。 2.3 四軸機(jī)架常見(jiàn)的四軸機(jī)架有十字型，X 型，H型，木材，PVC管，鋁合金，波纖，碳纖都可用來(lái)做機(jī)架。DIY大四軸常用的碳纖維支架，小四軸也可用PCB 做機(jī)架。 三 四軸飛行器運(yùn)動(dòng)原理四軸飛行器基本原理是通過(guò)飛控控制四個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)漿葉產(chǎn)生升力，分別控制每一個(gè)電機(jī)和漿葉產(chǎn)生不同 的升力從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。 四軸在空中可以實(shí)現(xiàn)八種運(yùn)動(dòng)，分別為垂直上升、垂直下降、向前運(yùn)動(dòng)、向后運(yùn)動(dòng)、向左運(yùn)動(dòng)、向后運(yùn)動(dòng)、 順時(shí)針改變航向、逆時(shí)針改變航向。 下面以+模式介紹四軸飛行器飛行原理（X 模式，+模式后面介紹）。 3.1 垂直運(yùn)動(dòng) 如圖 3.1 所示，電機(jī) 1 和電機(jī) 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)， 陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。
圖 3.1 垂直運(yùn)動(dòng)當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋 翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí) 現(xiàn)了沿 z 軸的垂直運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)外界擾動(dòng)量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。 3.2 俯仰運(yùn)動(dòng)（PITCH）圖 3.2 電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 2、電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力改變，旋翼 1 與旋翼 3 轉(zhuǎn)速改變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼 1 的升力上升， 旋翼3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞 y 軸旋轉(zhuǎn)（方向如圖所示），同理，當(dāng)電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，機(jī)身便繞 y 軸向另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。 圖 3.2 俯仰運(yùn)動(dòng) 3.3 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（ROLL）與圖 3.2 的原理相同，在圖 3.3 中，改變電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速不變，則可使 機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖 3.3 滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 3.4 偏航運(yùn)動(dòng)（YAW） 四旋翼飛行器偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng) 方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng) 方向相同。反扭矩的大小與旋翼轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，四個(gè)旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互平衡，四旋翼飛行器不 發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩會(huì)引起四旋翼飛行器轉(zhuǎn)動(dòng)。 在圖 3.4 中，當(dāng)電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼 1 和旋翼 3 對(duì)機(jī)身的反扭 矩大于旋翼 2 和旋翼 4 對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn) 向與電機(jī) 1、電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)向相反。因?yàn)殡姍C(jī)的總升力不變，飛機(jī)不會(huì)發(fā)會(huì)垂直運(yùn)動(dòng)。
圖 3.4 偏航運(yùn)動(dòng) 3.5 前后運(yùn)動(dòng)要想實(shí)現(xiàn)飛行器在水平面內(nèi)前后、左右的運(yùn)動(dòng)，前后運(yùn)動(dòng) 必須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。在圖 3.5 中，增加電機(jī) 3 轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1 轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭 矩仍然要保持平衡。 按圖 3.2 的理論，飛行器首先發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，因此可以實(shí)現(xiàn)飛行器的 前飛運(yùn)動(dòng)。向后飛行與向前飛行正好相反。 當(dāng)然在圖 3.2 圖 3.3 中，飛行器在產(chǎn)生俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生沿 x、y 軸的水平運(yùn)動(dòng)。 圖 3.5 前后運(yùn)動(dòng) 3.6 側(cè)向運(yùn)動(dòng)在圖 3.6 中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以側(cè)向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。 圖 3.6 側(cè)向運(yùn)動(dòng) 四 飛行控制器硬件設(shè)計(jì)飛行器控制器要能夠通過(guò)采集處理微型MEMS慣性器件和三維地磁傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算飛行器的姿態(tài)角和航向角，并根據(jù)飛行指令和任務(wù)要求，結(jié)合相應(yīng)的控制律給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，控制飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變飛行器的姿態(tài)和位置等。 根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了飛行控制器，其中包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)接收處理模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊以及數(shù)據(jù)通訊接口。飛行控制器中選取STM32處理器作為主控芯片，硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖4 飛行控制器硬件結(jié)構(gòu) 4.1 主控模塊控制器的核心是主控制模塊，它應(yīng)具有多路模擬信號(hào)的高精度采集能力；輸出PWM脈沖控制信號(hào)能力；具有 PPM信號(hào)捕獲解碼能力;；此外，還應(yīng)具有多個(gè)通信信道、充足的負(fù)載伺服機(jī)輸出通道以及數(shù)據(jù)接口。 考慮到不同環(huán)境下調(diào)試的便捷性，主控模塊設(shè)計(jì)了2種程序下載方案即JTAG方式以及ISP方式，并預(yù)留了多個(gè)負(fù)載外設(shè)接口以滿足照相機(jī)等負(fù)載設(shè)備的控制需求。 4.2 數(shù)據(jù)采集模塊為了提高飛行器控制可靠性，需要得到飛行器的俯仰和滾轉(zhuǎn)角作為姿態(tài)反饋，形成閉環(huán)控制。為提高其飛行穩(wěn)定性，需加入角速率反饋以增加阻尼。 飛行器的飛行姿態(tài)通過(guò)慣性測(cè)量單元來(lái)獲取，包括 3只MEMS陀螺儀、三軸加速度傳感器和全向磁場(chǎng)傳感器以及最高精度達(dá)15cm的靜壓高度計(jì)。 飛行器位置信息通過(guò)定位系統(tǒng)獲取。傳感器原理圖如下： 圖4.2 傳感器模塊 控制器中選用MPU6050作為三軸加速度計(jì)和三軸角速度傳感器。加速度計(jì)和角速率陀螺通過(guò)IIC接口與處理器進(jìn)行通訊。 4.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊由于四旋翼飛行器要實(shí)現(xiàn)自主懸停的關(guān)鍵是需要飛行器在傾斜時(shí)能在最短的時(shí)間內(nèi)回到平衡位置，這就要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠快速反應(yīng)，即能迅速地增大或減小轉(zhuǎn)速。針對(duì)四旋翼飛行器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中選用了無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)需要配以無(wú)刷電調(diào)使用。常見(jiàn)商品電調(diào)采用的是 PPM信號(hào)，周期為20ms。 伍 飛行控制器軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件設(shè)計(jì)流程本控制器的軟件部分采用 c 語(yǔ)言編制，主要完成硬件平臺(tái)初始化、數(shù)據(jù)采集處理、遙控信號(hào)解碼、電機(jī)控制、姿態(tài)角解算以及控制律的實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如 5 所示。 圖5.1 程序流程 5.2 控制方法比例、積分、微分( PID)控制器是當(dāng)今工業(yè)界廣泛使用的過(guò)程控制器, 具有簡(jiǎn)單、可靠和容易集成等特點(diǎn)[3]。PID控制器結(jié)構(gòu)清晰，參數(shù)可調(diào)，適用于各種控制對(duì)象，不需要被控系統(tǒng)的精確分析模型，并且算法簡(jiǎn)單高效，可在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)參數(shù)而取得較好的控制效果，通過(guò)PID參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)在比例、微分、積分三個(gè)方面參數(shù)調(diào)整的控制策略來(lái)達(dá)到最佳系統(tǒng)響應(yīng)和控制效果。完整的PID控制表達(dá)式如下： 其中， 為比例增益， 為時(shí)間積分常數(shù)， 為時(shí)間微分常數(shù)， 為輸出變量， 為偏差數(shù)量。 在FPGA中，PID算法的實(shí)現(xiàn)采用數(shù)字逼近的計(jì)算方法。由于FPGA的并行處理的方式，在傳感器滿足其更新速率和傳輸性能的基礎(chǔ)上，隨著數(shù)值采樣速率的增加，其數(shù)字逼近的數(shù)值越接近真實(shí)數(shù)值。在這里，采用求和的方法代替積分運(yùn)算、向后差分運(yùn)算代替微分運(yùn)算。FPGA的精確時(shí)鐘信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)隨著傳感器性能的提高，使積分、微分運(yùn)算結(jié)果精度越來(lái)越高，并能夠最大限度保證積分間隔的準(zhǔn)確。 其中， 為采樣周期， 是采樣序列號(hào)。 在四旋翼飛行器控制系統(tǒng)中，可以將其積分運(yùn)算和微分運(yùn)算的結(jié)果近似看做四旋翼飛行器的姿態(tài)和角速度。 其中，AT代表相應(yīng)axis（包括Pitch、Roll、Yaw）三個(gè)軸上的姿態(tài)，ACC代表相應(yīng)axis（包括Pitch、Roll、Yaw）三個(gè)軸上的角速度。
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