吳正茂 李思海 吳勇 顧振華

本文首先介紹了四旋翼飛行器的概念和開源的內(nèi)涵及發(fā)展情況，接著闡述了采用開源的四旋翼飛行器作為實(shí)踐平臺(tái)的意義。其次，介紹了四旋翼飛行器的飛行原理，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于開源飛控APM的四旋翼飛行器，經(jīng)調(diào)試成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)。文章最后總結(jié)了該實(shí)現(xiàn)飛行器的要點(diǎn)，并說明了下一步的研究方向。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器 開源 APM 調(diào)試步驟

四旋翼飛行器（Four-rotor aircraft，orQuadrotor）又叫四軸飛行器或四旋翼直升機(jī)，其四個(gè)電機(jī)和相應(yīng)的螺旋槳安裝在機(jī)架上，機(jī)架按照“十”字形或“X”字形布局。飛行器通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得機(jī)身的升力，并通過力矩的平衡調(diào)整自身姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的各種運(yùn)動(dòng)。四旋翼飛行器是目前高校和企業(yè)的研究熱點(diǎn)，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并廣泛應(yīng)用于航空拍攝、軍事偵察與打擊等各個(gè)領(lǐng)域。如圖1所示。

開源技術(shù)利用了人類內(nèi)心深處分享和幫助彼此的本能，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的發(fā)展?！伴_源”這一詞語正式被使用，是在90年代后期OSI（開放代碼促進(jìn)會(huì)）成立時(shí)，早期開源的大部分注意力都集中在開源軟件上（OSS），但1997年，Bruce Perens（開源定義的創(chuàng)造者，OSI的共同創(chuàng)立者，同時(shí)也是一個(gè)業(yè)余無線電操作員和愛好者）發(fā)布了開源硬件認(rèn)證程序，該程序允許硬件開發(fā)者將他們的產(chǎn)品自行認(rèn)證為開源。開源硬件在開放交換設(shè)計(jì)的過程中也促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展。最近幾年，由于開源技術(shù)的運(yùn)用可以大大降低企業(yè)信息化建設(shè)成本，增加了IT的靈活度，個(gè)人開發(fā)者、企業(yè)用戶、IT服務(wù)商和IT廠商等都對(duì)開源技術(shù)表現(xiàn)出了極大地?zé)崆椤Ｌ貏e是一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如GOOGLE在開源應(yīng)用中嘗到了甜頭，如Android自2007年以開源形式發(fā)布以來，其陣營以爆發(fā)式增長，如今已成為市場(chǎng)占有率第一的移動(dòng)操作系統(tǒng)。隨著這些著名企業(yè)的示范作用，如今開源技術(shù)已經(jīng)成為企業(yè)進(jìn)行信息化建設(shè)的首要選擇。隨著開源技術(shù)的逐步成熟以及企業(yè)對(duì)開源技術(shù)的應(yīng)用能力逐步提升，開源技術(shù)將會(huì)爆發(fā)更大的力量。

1 引言

開源技術(shù)開放、自由和協(xié)作的特點(diǎn)對(duì)教育信息化、教學(xué)模式的改革、學(xué)生實(shí)踐平臺(tái)的搭建與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也具有很大的促進(jìn)作用。它可以將理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，有效解決大學(xué)教育與業(yè)界實(shí)際的銜接問題，還可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)生學(xué)習(xí)動(dòng)力。

四旋翼飛行器因?yàn)檐浻布_源，使得原本高大上的技術(shù)變得入門容易，也有一定的趣味性，而且飛控成熟度高，開發(fā)工具齊全，社區(qū)建設(shè)完善，開發(fā)者文檔豐富，特別適合飛行器愛好者入門和二次開發(fā)，正逐步取代傳統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)板，成為飛行器愛好者和電子信息、計(jì)算機(jī)類學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)電子、計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)踐的平臺(tái)。四旋翼飛行器采用單片機(jī)或ARM處理器控制無刷直流電機(jī)，并且通過加速度傳感器和陀螺儀的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行器的平衡控制和姿態(tài)調(diào)節(jié)。該飛行器平臺(tái)綜合了電子學(xué)、電機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制原理、空氣動(dòng)力學(xué)等多門學(xué)科的知識(shí)，可以滿足學(xué)生在硬件設(shè)計(jì)和算法仿真與實(shí)踐方面的要求。

目前在四旋翼飛行器的研究領(lǐng)域，開源的APM應(yīng)用廣泛，其升級(jí)版本是PX4和PIXHAWKo APM全稱ArduPilotMega， Ardu源自Arduino，Pilot意指飛行，Mega代表主芯片為ATMEGA2560，因成本低，資源豐富，多用于DIY和小型產(chǎn)品。而商業(yè)公司則多采用PX4。

2 四旋翼飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中俯仰運(yùn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)耦合，橫滾運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)耦合。

在圖2中，電機(jī)1和電機(jī)2（安裝正槳）作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)3和電機(jī)4（安裝反槳）作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)為升降運(yùn)動(dòng)，沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)稱為向前后運(yùn)動(dòng)，沿Y軸方向運(yùn)動(dòng)稱為向左右運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

3 四旋翼飛行器的硬件設(shè)計(jì)與選型

四旋翼飛行器的硬件主要包括機(jī)架、飛行控制器和動(dòng)力系統(tǒng)。

3.1 四旋翼飛行器的硬件架構(gòu)

機(jī)架采用軸距為450mm的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，材質(zhì)最好是能防摔的碳纖維，采用“X”布局，其特點(diǎn)是穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)好，但調(diào)參相對(duì)復(fù)雜。

3.2 APM2.8開源飛行控制器

apm2.8開源飛行控制板上集成了陀螺儀、氣壓計(jì)等相關(guān)的傳感元件，外接電子羅盤與GPS模塊可以滿足不同飛行模式下對(duì)飛機(jī)性能的不同要求。多個(gè)電子調(diào)速器分別對(duì)各自的電機(jī)進(jìn)行控制，以達(dá)到平穩(wěn)輸出動(dòng)力的要求。2.8系列是APM中最新的同時(shí)也是最穩(wěn)定的。主控制器為ArduinoMega2560單片機(jī)，時(shí)鐘主頻16MHz，包含15路PWM輸入輸出口，16路模擬I/O口，54路數(shù)字I/O口。板載傳感器包括整合三軸陀螺儀與三軸加速度計(jì)的六軸慣性測(cè)量單元MPU6000，測(cè)量三軸角速度、三軸加速度，結(jié)合GPS的高度信息，實(shí)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)解算，計(jì)算出飛機(jī)姿態(tài);高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS5611，測(cè)量空氣壓力，用以換算成高度;三軸磁力計(jì)HMC5883，測(cè)量飛機(jī)當(dāng)前的航向。APM飛行控制器控制系統(tǒng)采用的是雙級(jí)PID控制體系，分別是導(dǎo)航級(jí)和控制級(jí)。導(dǎo)航級(jí)PID控制就是通過指定的飛行器的姿態(tài)參數(shù)，包括飛機(jī)的預(yù)定速度，飛行的預(yù)定高度，飛行器的航線路徑，主控制器通過控制算法計(jì)算出飛機(jī)需要的俯仰角、方向角和橫滾角，然后提供給控制級(jí)進(jìn)行控制解算。

3.3 動(dòng)力系統(tǒng)

四旋翼飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)主要包含無刷電機(jī)、電子調(diào)速器、電池和螺旋槳。根據(jù)四旋翼飛行器機(jī)架的大小，本文選擇的是kv值為980的2212無刷電機(jī)，配以1045螺旋槳，選擇輸出電流為40A的電子調(diào)速器，配備3S11.1V鋰聚合物航模電池，詳情見表1。

4 軟件加載調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)硬件設(shè)計(jì)與安裝完畢后，接著是APM飛行控制器的固件加載（寫入程序）、調(diào)試、設(shè)置和監(jiān)控等所有操作，這些操作都在地面站調(diào)試軟件（Mission Planner，簡稱MP）中完成，MP是也是核心的開源軟件。

4.1 地面站調(diào)試軟件Mission Planner簡介

地面站MP適用于固定翼，旋翼機(jī)和地面車，除了固件加載、調(diào)試和參數(shù)設(shè)置外，還負(fù)責(zé)飛行任務(wù)規(guī)劃、監(jiān)測(cè)和記錄四旋翼飛行器的各項(xiàng)飛行信息，并把這些信息通過電腦顯示器直觀地顯示出來，MP也可以直接發(fā)送指令操控飛行器的飛行。地面站與APM飛行控制器通過無線數(shù)傳模塊相連。

4.2 調(diào)試步驟

4.2.1 安裝地面站調(diào)試軟件Mission Planner

在安裝MP之前，需先下載NetFramework 4.0并安裝，然后開始下載MP安裝程序包，最新版本的MP可以選擇官網(wǎng)下載http：//ardupilot.org/ardupilot/index.html.。下載頁面中，每個(gè)版本都提供了MSI版和ZIP版可供選擇，如果是第一次安裝使用，建議下載MSI版。

4.2.2 連接USB線，下載APM固件

APM固件下載可以利用無線數(shù)傳模塊或USB完成。從功能上看，數(shù)傳與下載程序兼具串口功能的USB線別無二致，只是形態(tài)上有別而已。二者的技術(shù)基礎(chǔ)是串口以及基于串口的Mavlink通信。

4.2.3 連接遙控器接收機(jī)和USB線，完成APM的遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)

當(dāng)一個(gè)全新的固件下載到APM板以后，需要做遙控輸入校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)、羅盤校準(zhǔn)等，否則，解鎖是不能進(jìn)行的，MP的姿態(tài)界面上也會(huì)不斷彈出紅色提示。

4.2.4 完成各類參數(shù)的設(shè)定

APM飛控的功能切換是通過切換飛行模式實(shí)現(xiàn)的，配置飛行模式前同樣需要你連接MP與APM，點(diǎn)擊Config/Tuning（配置調(diào)試）菜單，選擇Flight Modes，配置相應(yīng)參數(shù)。只有在穩(wěn)定模式（ Stabilize）、特技模式（ACRO）、定高模式（AltHold）、懸停模式（Loiter）才能解鎖。

4.2.5 整理飛機(jī)，完成各類安全檢查后試飛

詳細(xì)調(diào)試步驟和注意事項(xiàng)可以參考部分航模制作網(wǎng)站。

5 結(jié)束語

本文是基于開源技術(shù)，其核心是APM飛行控制器和相應(yīng)的飛行控制程序以及調(diào)試軟件，設(shè)計(jì)并制作了了一款結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的四旋翼飛行器，該飛行器可在不同操控模式下實(shí)現(xiàn)不同飛行模式的飛行。通過MissionPlanner地面控制站，可對(duì)飛行器的各個(gè)飛行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。由于該技術(shù)成熟而且軟硬件資源豐富，很容易實(shí)現(xiàn)，非常適合飛行器愛好者和電子、自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐。另外，該款飛行器的開源性以及上面預(yù)留的外界接口模塊豐富，這為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)研究提供了較好的基礎(chǔ)飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如可以升級(jí)處理器、加裝攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)航拍、根據(jù)需要裁剪源代碼，修改控制算法、驗(yàn)證控制結(jié)果等，具有廣闊的二次開發(fā)應(yīng)用的前景。

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