李凱 周喬 李明豪

1 前言

四旋翼飛行器，是一種由四個螺旋槳十字形交叉構成的飛行器。4個螺旋槳產生的推力相同時，兩組正反槳對機身所施加的反扭矩兩兩抵消，使得繞垂直方向旋轉的反扭矩平衡，從而確保了航向的穩(wěn)定。本文所介紹的四旋翼飛行器是一種具有自主起降功能，飛行高度較低，同時可以根據(jù)信標自主規(guī)劃航線的小軸距四旋翼飛行器。該飛行器上搭載RX23t單片機作為控制導航核心，獲取高度，信標位置信息后，向飛行控制器發(fā)送飛行指令。飛行控制器根據(jù)實時飛行姿態(tài)的處理，結合接收到的飛行控制指令，向四個電子調速器發(fā)出四路PWM波信號，從而驅動對應的無刷直流電機，調整飛行姿態(tài)。經過不斷測試，對飛行時各項參數(shù)的分析，設計控制算法，最終實現(xiàn)具有一鍵式起飛，定點定高懸停等功能。

2 硬件系統(tǒng)設計

該四旋翼自主飛行器由導航控制器、飛行控制器、距離傳感器、攝像功能模塊、電機驅動模塊等部分組成，以下為各模塊的選擇和論證。

圖1.四旋翼飛行器系統(tǒng)框圖

2.1 導航控制器模塊的論證與選擇：

方案一：采用51系列單片機，51單片機作為8位處理器，其功能完備，開發(fā)簡單，價格低廉，通用性好。但其主頻有限，運行速度慢，片內外設少，芯片本身的保護能力差，不適用于高速實時應用。

方案二：采用瑞薩RX23T系列單片機，其最大頻率可達到40Mhz，其支持單精度流動小數(shù)點演算器(FPU)、乘除計算器、乘積加法演算器(MAC命令)。通信功能方面其支持硬件I2C、SPI、UART等多種通訊方式。其豐富的定時器、外設及完善的安全性能非常適用于無人機的飛行控制使用。

對于小型四軸飛行器來講，其穩(wěn)定性差，對重量敏感，要求其導航板控制頻率高，輸入輸出功能強大，外設I/O多，工作穩(wěn)定，因此選擇方案二。

2.2 傳感器模塊的論證與選擇：

2.2.1 測距傳感器的論證與選擇：

方案一：超聲波傳感器一般作用距離在0.1-5米。通過反射回來的聲波根據(jù)聲速計算出距離。因為聲波的特性，所以超聲波傳感器受環(huán)境影響比較小，使用場合比較廣泛。

方案二：采用反射式紅外線測距傳感器，其測距基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，接收管接收的反射光強隨反射物體的距離而變化的。其優(yōu)點是簡單便宜，但測量距離近，方向性差。

綜合以上兩種方案，考慮到實際飛行高度，最終選擇方案一。

2.2.2 循跡傳感器的論證與選擇：

方案一：采用光流傳感器，利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關性來找到上一幀跟當前幀之間存在的對應關系，從而計算出相鄰幀之間物體的運動信息的.但其需要獲取的圖像具有較多的特征點，受光照環(huán)境影響也較大。

方案二：采用CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器上集成AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，從而可以進行快速計算和圖像信息采集。

綜合以上兩種方案，飛行區(qū)域除黑色圓塊和最終選擇保真度高，抗噪聲干擾能力大的CMOS成像的OV7725攝像頭作為圖像傳感器。在模塊型號方面選擇了OpenMV3 Cam，它是一個開源，成本較低的攝像功能模塊。

2.3 電機驅動模塊

方案一：采用有刷空心杯電機，有刷電機常見于大多數(shù)小型飛行器,由于其電刷和換向器之間有摩擦，存在效率降低、噪音增加、容易發(fā)熱，效率低、輸出功率小等缺點，優(yōu)點是成本低。

方案二：采用無刷電機，無刷直流電機利用電子元器件的開關特性取代了機械碳刷使換向變得無機械接觸，所以其具有低能耗、低噪音、超長壽命、高可靠性的特點。

綜合以上兩種方案，為了保證飛行器的動力和穩(wěn)定性，我們選用無刷電機。

2.4 飛行姿態(tài)獲取模塊的選擇：

MPU6500多軸傳感器，它整合了三軸陀螺儀、三軸加速度計，用了三個16位的ADC可將其測量到的模擬量的加速度和角速度轉化為可輸出的數(shù)字量加速度和角速度，同時具有SPI通信總線類型。在滿足精度要求的條件下，從成本和抗干擾能力等方面分析，非常適用于飛行器的飛行姿態(tài)的獲取和處理。

3 系統(tǒng)軟件設計與分析：

3.1 飛行姿態(tài)的算法分析：

3.1.1 飛行姿態(tài)處理：

串級PID分為內環(huán)和外環(huán)PID。而我們的程序設計中采用了4個雙閉環(huán)來調節(jié)，其中包括了PITCH，YAW，ROLL的角速度和角加速度組成的雙閉環(huán)和高度及Z軸加速度組成的雙閉環(huán)，如圖3.1和圖3.2所示。其中Z軸的加速度傳感器由超聲波傳感器得到的長度求微分得到，油門的擬合則直接采用線性擬合。

圖3.1 高度環(huán)串級PID控制結構圖

圖3.2 角度環(huán)串級PID控制結構圖

3.1.3 飛行運動軌跡控制

首先基于串級PID控制系統(tǒng)，我們將改變的設定值的數(shù)值，并將其放在歐拉角的外環(huán)。這種控制擁有諸多優(yōu)點，例如抗干擾等。所以我們在程序中添加了定向運動函數(shù)，計算出“目標設定值”，根據(jù)這個值來影響PITCH，ROLL的串級PID外環(huán)，并做了關于位移控制的幾種猜想。

猜想一

由一個簡單的三角函數(shù)組成沖擊脈沖對無人機的穩(wěn)態(tài)進行破壞，然后迅速回0，然后通過單級PID控制輸出，觀察無人機的狀態(tài)，并且記錄沖擊所造成的無人機姿態(tài)變化和位移記錄。

圖4.1 三角函數(shù)沖擊脈沖

猜想二：

有一個階躍函數(shù)對無人機的PITCH，ROLL的串級PID外環(huán)直接造成一個沖擊，并通過單片機中的定時器對階躍函數(shù)的值進行有規(guī)律的改變。觀察無人機的狀態(tài)，并且記錄沖擊所造成的無人機姿態(tài)變化和位移記錄

猜想三：

利用無人機的視覺模塊傳回來的偏差值，將所要經過的路線采用解算時一次，加速，減速，平衡的過程，不斷向終點靠近。

結論：

經過大量的實驗，猜想三和小車循跡的算法接近，但是在無人機飛行控制的效果多不理想，由于阻力較小，無人機并不能很好的完成定點減速的功能。猜想一最為平滑的接近，與期望控制的理想效果最為接近，由于無人機本身有一定的偏移量，而沖擊量最終擬合到飛行狀態(tài)時，具有很大的偶然性，實現(xiàn)效果差。

3.2 圖像的獲取與處理：

飛行導航系統(tǒng)主要圍繞黑色圓塊及小車信標控制飛行器，飛行器需要在黑色圓塊和小車上方懸停。我們將OPENMV攝像模塊安裝至飛機底部，采集地面圖像信息后通過串口發(fā)送給瑞薩RX23T導航板，導航板收到信息后，判斷飛機此時與信標的相對坐標，然后發(fā)出飛行運動指令給飛行控制芯片。

4 系統(tǒng)測試方案與結果

4.1 硬件系統(tǒng)測試方案：

1）利用數(shù)字萬用表檢測電路的連接情況，排除由于虛焊引起的斷路、短路或器件損壞等電路故障。

2）飛行器開機后根據(jù)指示燈狀況，判斷飛行實時數(shù)據(jù)的正確性。

3）通過數(shù)字邏輯分析儀觀察飛控輸出的PWM波形，確保電調工作正常。

4）攝像頭與超聲波等模塊使用其他的可靠單片機系統(tǒng)板，飛行前確保工作正常。

4.2 飛行器的功能性測試與分析：

由于無人機計算出來的歐拉角與真實歐拉角之間存在一定的偏差，所以無人機飛至水平時，記錄真實的水平歐拉角，多次記錄，飛行結束后更新。多次試驗后得到較穩(wěn)定的補償值。在實現(xiàn)位移過程中，通過調用沖擊函數(shù)調節(jié)角度的外環(huán)，經過多次測試，最終選定多個階躍函數(shù)，實現(xiàn)了脫離，捕獲信標等功能。

通過配合瑞薩RX23T單片機，本飛行器可以實現(xiàn)一鍵起飛，定點定高懸停，捕獲信標，跟蹤飛行等功能。

5 總結

該四旋翼自主飛行器從起初設計方案，再到實施過程，無論是硬件電路的設計還是軟件仿真的測試，我們一直秉承著嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，由于四旋翼飛行器自身是一個非穩(wěn)定性系統(tǒng)，堅持穩(wěn)定性與精確性并重是我們一直以來堅持的原則，在該原則基礎上，我們不斷優(yōu)化算法，反復嘗試，多次試驗分析數(shù)據(jù)，逐漸實現(xiàn)黑點懸停，顏色識別，信標捕捉等功能。