微型四旋翼飞行器研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 微型四旋翼飞行器研究 【摘要】本次设计的微型四旋翼 飞行器是一种由 4 个电机左右飞行引擎 的飞行器，硬件上使用 STM32F103RBT6 作为主控芯片，使用 ADXL345 加速度传感器以及 L3G4200 角速度传感器获取当前飞行器的运动状 态以及 NRF24L01 进行无线通讯，软件 上使用四元数姿态解算以及互补滤波对 数据进行融合来实现飞行姿态的稳定控 制。本设计可实现四旋翼无人机的稳定 飞行，以及无人飞行器的远程控制。 中国论文网 /7/view-12791477.htm 【关键词】四轴飞行器；惯性导 航；四元数；互补滤波 中图分类号：V21 文献标识码： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 A 文章编号：1006-0278（2016）01- 189-01 微型四轴飞行器是一种特殊结构 的飞行器，是由多个轴径架搭载着一定 数量的螺旋桨的共轴心飞行器。四轴飞 行器作为一种稳定的、能以任意角度灵 活运动的飞行器，通过四个螺旋桨产生 的向上的拉力进行飞行。只需要使用四 个电机作为飞行引擎，调节四个电机的 转速就可以对飞行姿态进行控制和操控 飞行器完成一些高难度的飞行动作。由 于拥有低成本、尺寸小、灵活性强等优 点，微型四轴飞行器在各种危险和复杂 的场合应用越来越广泛。 一、系统设计 四轴飞行器共有 4 个螺旋桨，其 中螺旋桨使用的是正反桨，前后电机安 装正桨进行顺时针转动，左右电机安装 反桨进行反向转动，其目的是消除对应 电机旋转是产生的旋转力矩。位于中心 的主控板负责控制无线通讯芯片获取从 控制者发出的指令，然后读取主控板上 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 传感器的即时数据稳定当前飞行姿态， 再根据相关指令控制 4 路电机驱动模块 驱动电机旋转，达到控制飞行器飞行的 目的。 本设计的四轴飞行器的基本构架 主要由电机、电机驱动电路、主控板、 惯性导航模块、无线通信器以及电池组 建而成。同时使用了控制端接收四轴飞 行器发送回来的数据以供调试，控制端 还可以把相关数据通过串口发送至上位 机，上位机搭建 opengl 环境之后利用上 位机快速的计算速度调试飞行器数据， 使整个姿态解算过程更加直观，更加具 有效率。 二、硬件设计 四轴飞行器的硬件电路以 STM32F103RBT6 作为控制核心，使用 NRF24L01 模块与控制端进行无线数据 交互，使用 L3G4200 陀螺仪传感器与 ADXL345 加速度传感器组成的惯性导 航单元获取当前的飞行数据，主控制器 输出 PWM 波，调整 PWM 的占空比驱 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 动 MOS 管组成的电机驱动电路以驱动 电机。 （一）电机驱动电路设计 只要控制各路 PWM 波占空比就 可以控制各路电机的转速，从而达到控 制飞行器飞行姿态或者方向的目的，本 设计设计的是微型四轴飞行器，电池容 量小，考虑到飞行续航时间，必须使用 尽可能轻的材料搭建硬件平台，由于故 选用直流有刷电机作为飞行引擎。一个 NMOS 管加上若干分立元件作为驱动电 路。 （二）惯性导航单元电路设计 四轴飞行器具有 6 个自由度，却 只有 4 个控制输入，因此四轴飞行器的 控制问题属于欠驱动问题。需要测量的 是当前 X，Y，Z 轴的加速度和角速度， 分别通过 ADXL345 和 L3G4200 这两款 MEMS 传感器进行测量，两个传感器集 成在一块 PCB 板上，通过 IIC 总线协议 与 MCU 通信以输出数据。 三、系统软件设计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 （一）总体软件设计环节 在整个飞行器系统上电或者复位 之后，首先配置系统时钟以及各个 IO 口用于与各个模块进行通讯，然后通过 IIC 总线协议将加速度传感器 ADXL345 和角速度传感器 L3G4200 中的 X，Y，Z 轴数据读取出来处理之后使 用数组存储起来。再通过互补滤波将角 速度与加速度数据进行数据融合后得出 较为准确的飞行器姿态，根据当前飞行 器姿态更新 PID 值，最后输出 PWM 波 控制电机的转速达到控制飞行器飞行姿 态的目的，之后重新回到读取数据的流 程中，一直如此循环下去。 （二）互补滤波数据融合 飞行器的姿态可由陀螺仪测量得 到的角速度积分得到，陀螺仪具有很好 的动态响应，在短期内精度比较高。加 速度传感器测量出来的加速度可以直接 测量飞行器的倾角，它对于重力加速度 和运动加速度十分敏感，在短时间内精 度比较低，但在长时间内精度很高。在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 国内外有使用卡尔曼滤波算法，扩展卡 尔曼滤波算法等来处理数据，在四轴飞 行器上也大量使用互补滤波器来解算当 前飞行器的飞行器姿态。经过数据融合 之后，此时解算出来的姿态角便比较拥 有可靠性，可用于 PID 算法稳定四轴飞 行器的姿态。 （三）PID 控制算法 当通过互补滤波得到飞行器的飞 行姿态角之后，主控芯片使用 PID 算法 来控制飞行器的 4 路 PWM 波输出，控 制电机指导整个飞行器飞行。PID 算法 是一种闭环控制算法，以上一次的数据 为反馈，按照偏差的比例、积分、微分 进行控制。此算法被广泛应用于各种自 动控制系统中，能够满足一般控制的大 部分要求。 四、结论 本文设计了一种微型四轴飞行器 的硬件结构，并在其基础