四轴飞行器资料

1、四轴飞行器运动控制系统设班目录1. 引言 12. 四轴飞行器的飞行原理 12.1 四旋翼飞行器结构 12.2 运动状态 22.3 技术难点 22.4 飞行姿态 33. 飞行器控制系统结构 63.1 姿态测量系统 73.2 电机驱动模块 73.3 主控制模块 83.4 电机驱动模块 83.5 无线通信模块 83.6 电源模块 84. 硬件设计 94.1 器件清单列表 94.2 模块的介绍 104.2.1 上位机 104.2.3 MPU6050 模块 124.2.4 STM32 芯片 134.2.5 电调 134.2.6 无刷电机 145. 控制部分 145.1 姿态控制系统功能 155.2 姿态

2、解算 165.3 PID 控制 166 .设计总结 171.引言四轴飞行器是一种多轴飞行器，有四个旋翼来悬停、维持姿态及平飞。 和固定翼飞机不同，它通过旋翼提供的推力使飞机升空。它的四个旋翼大小 相同，分布位置接近对称。对于简单的设计来说，仅仅通过调整不同旋翼之 间的相对速度来调节不同位置的推力，并克服每个旋翼之间的反扭力矩，就 可以控制飞机维持姿态、或完成各种机动飞行。这一点和直升机不同，常见 的直升机有两个旋翼，尾桨只起到抵消主旋翼产生的扭矩，控制飞机偏航运 动的功能。早期飞机设计中，四轴飞行器被用来解决旋翼机的扭矩问题。主副旋翼 的设计也可以解决扭矩问题，但副旋翼不能提供升力，效率低。且

3、使用尾桨 的设计在结构上比使用多旋翼要复杂很多。因此四轴飞行器是最早的一批比 空气重的垂直起降飞行器。但是早期的型号性能很差，难于操控和大型化。 尤其是油门的控制难以做到精确和迅速。更加上传统的直升机构型在巡航时 的效率要优于四轴飞行器。故此在直升机的技术问题得以解决后，四轴飞行 器迅速从飞行器设计方式中销声匿迹了。近来四轴飞行器在无人机领域获得了新生。使用电传飞行控制系统以及 油门响应速度迅速的电动机作为动力系统，克服了四轴飞行器的主要缺点。 四轴飞行器飞行稳定，操控灵活，可以在户内和户外使用。和直升机相比， 它有许多优点：它的旋翼角度固定，结构简单。每个旋翼的叶片比较短，叶 片末端的线速度

4、慢，发生碰撞时冲击力小，不容易损坏，对也人更安全。有 些小型四轴飞行器的旋翼有外框，避免磕碰。因为四轴飞行器体积小、重量 轻，携带方便，能轻易进入人不易进入的恶劣环境。常用来制作模型，也用 来执行航拍电影取景、实时监控、地形勘探等飞行任务。本文主要就小型电动四轴飞行器，介绍对四轴飞行原理，重点讲解对其飞 行姿态控制的实现方案。2. 四轴飞行器的飞行原理2.1 四旋翼飞行器结构形式 如图所 示，电 机 1 和电机 3 逆时 针旋转 的同时，电 机 2 和电机 4 顺时 针旋转，因 此当 飞行器平衡飞行时 ，陀 螺效应和 空气动 力扭矩 效应均被抵 消。第1页2.2 运动状态与传统的直升机相比，四

5、旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施 加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同 时，电机 2 和 电机 4 顺时 针旋转 ，可以平衡 旋翼对机身的反扭矩 。四旋翼飞 行器在空间共有 6 个 自由度（分别沿 3 个坐 标轴作 平移和旋转 动作） ，这 6 个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。 其基本运动状态分别是：（ 1 ） 垂 直 运 动 ；（ 2 ） 俯 仰 运 动 ；（ 3 ） 滚 转 运 动 ；（ 4 ） 偏 航 运 动 ；（ 5 ） 前 后 运 动 ；（ 6 ） 侧 向 运 动 ；2.3 技术难点（ 1 ） 在 飞 行 过 程 中 它

6、 不 仅 受 到 各 种 物 理 效 应 的 作 用 ，还 很 容 易 受 到 气 流 等 外 部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。（2）微型四旋翼 无人飞 行器是 一个具 有六 个自由 度，而只有四个 控制 输入的 欠驱动系统。它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，使得飞行 控制系统的设计变得非常困难。（3）利用陀螺进 行物体 姿态检 测需要 进行 累计误 差的消 除，怎样 建立 误差模第2页型和通过组合导 航修 正累积 误差是 一个工 程难 题。这三 个问题解决成 功与 否， 是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价 值。2.4 飞行姿态（ 1 ）垂

7、直 运 动 在 图 中 ，因 有 两 对 电 机 转 向 相 反 ，可 以 平 衡 其 对 机 身 的 反 扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大， 当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同 时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实 现了沿 z 轴的 垂直 运动。 当外界 扰动量 为零 时，在 旋翼产 生的升 力等 于飞行 器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是 垂直运动的关键。（2 ） 俯 仰 运 动 在 图 （ b ） 中 ， 电 机 1 的 转 速 上 升 ， 电 机 3 的 转 速

8、 下 降 ， 电 机 2 、 电 机 4 的 转 速 保 持 不 变 。 为 了 不 因 为 旋 翼 转 速 的 改 变 引 起 四 旋 翼 飞 行器整体扭矩及 总拉 力改变，旋翼 1 与旋翼 3 转速该变量的大小 应相 等。由 于旋翼 1 的升力上升 ，旋翼 3 的 升力下 降，产 生的 不平衡 力矩使 机身绕 y 轴 旋转（方向如图 所示 ），同理，当 电机 1 的转 速下降 ，电机 3 的 转速上升， 机身便绕 y 轴向 另一 个方向旋转， 实现飞 行器的俯仰 运动。第3页（3）滚转运动与图 b的原理相同，在图 c中，改变电机 2和电机 4的转 速 ，保 持 电 机 1 和 电 机 3

9、的 转 速 不 变 ，则 可 使 机 身 绕 x 轴 旋 转（ 正 向 和 反 向 ）， 实现飞行器的滚转运动。（4）偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实 现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为 了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的 来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转 速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当 四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在 图 d 中，当电机 1和电机 3的转速上升，电机 2 和电机 4的转速下降时，旋 翼

10、 1 和旋翼 3 对机身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4对机身的反扭矩，机身便 在富余反扭矩的作用下绕 z 轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、第4页电机 3 的转向相 反。（5）前 后运动 要 想实 现飞行 器在水平面内 前后 、左右 的运动，必 须在水 平面内对飞行器 施加 一定的力。在 图 e 中，增 加电机 3 转速，使 拉力 增大， 相应减小电机 1 转 速，使 拉力减 小，同 时保 持其它 两个电 机转速 不变 ，反扭 矩仍然要保持平 衡。 按图 b 的理论，飞行器 首先发 生一定程度的 倾斜 ，从而 使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向 前

11、飞行正好相反 。当 然在图 b 图 c 中，飞行 器在产 生俯仰、翻滚 运动 的同时 也会产生沿 x、 y 轴的水平运动 。6）侧 向运动 在 图 f 中，由 于结构对称 ，所以侧向飞行的工 作原理与前后运动完全一样。第5页3. 飞行器控制系统结构本四轴飞行器控制系统主要实现人的遥控操作及自动增稳功能。飞行器 通过接收机接收到的遥控指令完成操作者的遥控操作，同时具有感知飞行姿 态并自动调整的功能。整个控制系统包括电源模块、无线通讯模块、传感器 模块、电机驱动模块、控制器模块。无线收发模块接受遥控器传来的控制信 号 ，然 后 将 控 制 信 息 传 送 给 控 制 器 模 块 。传 感 器 模

12、块 采 用 三 轴 加 速 度 传 感 器 、 陀螺仪实时监测飞行器飞行的实际姿态，并将飞行器的实际姿态数据传送给 控制器模块。控制器模块接收到传感器模块和无线通讯模块传来的目标姿态 数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态 和位置信息，计 算出 控制量，转化 为相应 的 PWM信号 经驱动 电路 后驱动 四个 电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行，并将遥测信息通过无线通讯模块传 送到地面控制站。第6页图 3.1 系 统 框 架 图3.1 姿态测量系统四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由 6个物理量来描述，包括在三维 坐标中的 3 个位置量和沿 3个轴的姿态量（即称为六自

13、由度）。传感器作为一 种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规 律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、 存储、显 示、记 录和控 制等要 求。它 是实现自动 检测和 自动控 制的首 要环 节。 因此传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参数的装置，包 括测量机身三轴角速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度计、测量 机身航向及姿态信息的罗盘等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂和数字罗 盘受周围磁场的影响，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪、加速 度计和数字罗盘结合起来获取准确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。 （1）加速度传感器

14、：加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角 度, 利用了地球万有引力，把 重力加速度投影到 X,Y,Z 轴上，测 量出物体的 姿势。（2）陀 螺仪：利用 旋转 物体的 旋转轴 所指的方向 在不受 外力影 响时的 不变 性， 测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向 性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测 量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对 角度和姿势。（ 3 ）地 磁 传 感 器 是 用 来 确 定 方 向 的 。它 利 用 地 磁 场 来 定 北 极 ，其 基 本 原 理 和 我们熟知的指南 针差 不多

15、。三维地 磁传感 器通 过给出 在 X轴 ，Y轴 和 Z轴 上 的地磁力投影， 可以 提供活动物体 的航向 角 、 俯仰角和横 滚角， 从而可 以 确定物体的姿 态，实际上 就是确 定了物体坐标 系与 地理坐 标系之 间的方 位 关系。不过在实际应用中，需要注意周围物体所产生出来的磁场对传感器造 成的干扰。3.2 电机驱动模块根据中心控 制模块 指令驱动各个电机到 达指定转速，将电 机的速 度通过 测速反馈装置反 馈给 控制器模块，利用闭环 控制 来控制电机的 转速为 预期值。 从而实现四轴飞行器不同的飞行状态。直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体 三部分组成，电子换

16、相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置 的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电 机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直 流电动机。第7页3.3 主控制模块中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部 分 ，主 要 负 责 采 集 传 感 器 检 测 到 的 姿 态 角 速 率 （ 俯 仰 角 速 率 、横 滚 角 速 率 和 偏 航角速率）、三 轴的线 加速度和航 向信息 并实时解算；根 据检测 到的飞行信 息， 结合既定的控制 方案 ，计算输出控 制量， 转化 为相应 的 PWM信号 经驱动 电路 后驱动四个

17、电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行，通过无线通信模块与地面 站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。PWM脉 冲控制 方式就 是对 逆变电 路开关 器件的通断 进行控 制，使输出端得 到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就 是在输出波形的 半个 周期中产生多 个脉冲 ，使各 脉冲的等值电 压为正 弦波形， 所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制， 即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。3.4 电机驱动模块通过 控制 PWM可 以实现 对加在 两端 实际等 效电压 的控制从而 实现控 制速 度，PWM 占

18、空比越 高， 等效电 压就越 高，占空比 越低， 等效电压就越 低。3.5 无线通信模块通过 无线 网络建 立地面 控制站 和飞 行器的 通信链路。地 面控制 站向 主控模 块传输飞行和任 务控 制指令，同 时 中心控制模块 发送飞 行状 态、任 务 状况等。3.6 电源模块为机载控制系统、电机等提供电源，电池有镍氢电池和锂电池。锂电池 的电流释放量 C系数 普遍比 镍氢电 池大， 而且 比较恒 定，因 此选 择锂电 池。 电池的选择主要看两个性能：一是容量，二是倍率。容量越大，飞行器的续 航能力就越长。但容量越大的电池其重量就越重，因此容量选择既需要满足 有一定的续航能力，且较轻。第8页4.

19、 硬件设计4.1 器件清单列表（ 4 个）、NRF24l01F330 机架、朗宇 angel 系列 无刷电 机（4 个）、30A 中特威 AL 电调 正反桨各两片、锂电 池 2200mah 一 块、 STM32 芯片一片 、 MPU6050 、 收发模块。各个部分的连接如下图所示：图 4.1 电器结构图所有器件组合起来，构成如下的四轴飞行器：图 4.2 实物图第9页4.2 模块的介绍4.2.1 上位机上位机的主要作用是显示飞行器的飞行姿态和发出对飞行器的控制信 息。利用上位机 ，我 们可以很方便 的对飞 行器 就行 PID 调节 ，可 以实时 改变 飞机的参数。上位机还有波形显示，校准等基本功

20、能。图 4.3 上 位 机 操 作 界 面4.2.2 NRF24l01 收发模块NRF24.L01 是一款 新型单 片射频 收发 器件， 工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM 频 段。内 置频率 合成器 、功 率放大 器、晶 体 振荡 器、调 制器等 功能模块。NRF24L01 功 耗低，在以-6dBm 的功率 发射时，工 作电 流也只 有 9 mA; 接收时，工 作电流只有 12.3mA ，多 种低功 率工作 模式（ 掉电模 式和空闲模 式） 使节能设计更方便。第 10 页图 4.4 NRF24l01 管 脚 图图 3.5 NRF24l01 电 路 原 理 图无线模块的通信调试中过程

21、中遇到了很多问题，首先是收发端的程序必须要配对使用，还要设置相同的波特率，无线模块才可以进行收发信息。这第 11 页是设计过程中的一大难点。4.2.3 MPU6050 模块MPU-6050 整合了 3 轴 陀螺仪、3 轴加 速器， 并含可藉由第二个 I 2C端 口 连接其他厂牌之加速器、磁力传感器等外接传感器。感 测 范 围 :MPU-6050 的 角 速 度 全 格 感 测 范 围 为 250 、 500 、 1000 与 2000 /sec(dps) ，可 准确追踪 快速与 慢速动作，并 且，用 户可程 式控 制的加 速器全格感测范 围为 2g 、 4g 8g 与 16g 。MPU-605

22、0 可在不 同电压 下工作， VDD供电电压介 为 2.5V 5%、 3.0V 5%或 3.3V 5%， 逻辑接口 VVDIO 供 电为 1.8V 5%。MPU-6050 的 包 装 尺 寸 4x4x0.9mm(QFN) ，在 业 界 是 革 命 性 的 尺 寸 。 其他的特征包含 内建 的温度感测器 、包含 在运 作环境 中仅有 1%变 动的振 荡 器。MPU6050 是整 个飞行 器能够飞行的保证 ，就 像是 飞机 的感官一般，时 刻反 应着飞行器的各 种状 态。然后通过 stm32 芯片 的处理 ，输出 信号 去控制 电机 的转速，从而保证飞行器可以稳定飞行，并根据飞行要求调整自身。图

23、4.6 MPU6050 电路原理图第 12 页4.2.4 STM32 芯片飞行器 的大脑 ，核心部 件，信息 的交换 、处理中 心。本次 设计中 使用 的 STM32 具体 型 号是 STM32F103VET6 。图 4.7 引脚图图 4.8 最 小 系 统 电 路4.2.5 电调电调全称电 子调速 器，英文 electronic speed controller,简称 ESC。针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。它根据控制信号调节电动机的 转速。对于它们的连接，一般情况下是这样的：(1) 电 调 的 输 入 线 与 电 池 连 接 ；(2) 电 调 的 输 出 线 ( 有 刷 两 根 、

24、 无 刷 三 根 ) 与 电 机 连 接 ；(3) 电 调 的 信 号 线 与 接 收 机 连 接 。第 13 页同时，电调可以输出一个 5V 左右的稳压直流电源，可以直接为主控芯片 供电，可以省掉 一个 稳压电路。信 号线为 接收 机供电 ，接收 机再 为舵机 等控 制设备供电。在本次设计中，使用的是无刷电调，输出线有三根，一根 5V 的电源，一 根地线，还有一 根 PWM信号 控制输 出线。 由于 电调输 出的 5V电 压足 够稳定 ， 可以直接用来给飞控供电。4.2.6 无刷电机无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产 品。结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有

25、转子和定子，只不过和 有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定 子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连， 定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之 为无刷电机。无刷电机简明运行原理:简单而言，依靠改变输入到无刷电机定子线圈上 的电流波交变频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的 磁场，这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动，电机就转起来了，电机的性能 和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关，更与无刷电机 的控制性能有很大关系，因为输入的是直流电，电流需要电子调速器将其变 成 3 相 交 流 电

26、，还 需 要 从 遥 控 器 接 收 机 那 里 接 收 控 制 信 号 ，控 制 电 机 的 转 速 ， 以满足模型使用需要。本次设计中 ，无刷 电机的 KV 值为 980，额 定工作 电压为 11.1v 。当油 门 调到最大时，电 机转 速可达到每分 钟两万 多转 ，负载 1kg 左 右的 东西飞 行器 依然可以正常飞行。由 于电机的高转速，在 调试过程中，要 注意别被桨刮到。5 控制部分本设计只有两个传感器，只能测量四轴飞行器的 PITCH 和 ROLL 两个自由 度，不能测量 YAW。程 序控制的思路 如下图 所示 ：第 14 页图 5.1 程 序 流 程 图5.1 姿态控制系统功能四

27、轴飞行器 是一个 具有 6 个自由 度和 4 个输 入的欠 驱动系 统, 具有 不稳 定和强耦合等特 点, 除 了受自 身机械 结构和 旋翼 空气动力学影 响外, 也 很 容易受到外界的 干扰 。无人机的姿 态最终 通过 调节 4 个电机 的转 速进行 调 整, 飞行控 制系统 通过 各传感 器获得 无人机的姿 态信息 , 经过一定 的控制 算 法解算出 4 个电 机的 转速, 通过 I2C 接 口发 送给电 机调速 器(简称 电调), 调整 4 个电机的转速 ,以 实现对其姿态 的控制 。姿态控制 是整个 飞行控 制的 基础, 根据姿态控制子系统的数学模型,姿态控制系统需要检测的状态有:无人

28、机在 机体坐标系下 3 个轴 向的角速度、 角度和 相对地面的 高度。 飞控系 统担 负着 传感器信息采集 、控 制算法解 算及 通信等各种任 务, 是整个无人 机的核 心，其 主要功能有：(1) 主控 制器能 快速 获得各 传感器 的数据 , 并对 数据进 行处理 ;(2) 传感 器实时 检测 无人机 的状态 , 包括姿 态、 位置、 速度等 信息;(3) 主控 制器能 与 PC 机进 行数 据交换 ;(4) 系 统 能 进 行 无 线 数 据 传 输 。 实现以上功能的 模块 式 MPU6050 和 NRF24l01 。第 15 页5.2 姿态解算姿态矩阵的解算是惯导系统实时计算的核心，四

29、元数法效率高、实时性 好，因此该法应用最广泛。在飞行器六自由度动力学仿真中，由于质心运动 和绕质心运动是相互耦合的，所以姿态解算方法也是影响动力学仿真性能的 重要因素。无论是惯导计算还是动力学仿真计算，姿态解算的流程一般为： 首先由惯性器件或姿态动力学积分得到飞行器相对于基准坐标系的角速度或 角增量；然后采用不同的姿态解算方法对角速度或角增量进行积分，得到欧 拉角或四元数信息；最后计算姿态矩阵。5.3 PID 控制PID( 比 例( proportion)、积 分( integration)、微 分( differentiation)控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的 工业控制器。