陳昕迪 陳亦欣 柳然

【摘 要】四軸無人機(jī)是一種可垂直起降的小型飛行器設(shè)備，屬于多軸飛行器的一種。由于結(jié)構(gòu)簡單，有著較好的穩(wěn)定性，易于設(shè)計(jì)和搭建。本文使用stm32控制器與相應(yīng)傳感器結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套四軸無人機(jī)飛行系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】stm32；多軸無人機(jī)；X型

一、四軸無人機(jī)的基本原理

1.四軸的結(jié)構(gòu)與飛行原理

由于四軸無人機(jī)結(jié)構(gòu)上對稱的特點(diǎn)，為區(qū)分無人機(jī)飛行方向的前端，四軸無人機(jī)有十字型和X型兩種設(shè)計(jì)方法。這里，我們?yōu)榱怂O(shè)計(jì)無人機(jī)的實(shí)用性和后期研究，本次設(shè)計(jì)選擇了X型的設(shè)計(jì)。

和傳統(tǒng)飛行器類似，四軸無人機(jī)也存在著俯仰、翻滾等飛行姿態(tài)，但它的基本的飛行是靠四個(gè)末端的旋翼產(chǎn)生升力維持的。在依靠旋翼提供升力的飛行器中，由于旋翼旋轉(zhuǎn)會給飛行器本身帶來反槳矩，所以像是直升機(jī)一類的飛行器需要尾翼上的旋翼來平衡這一力。但四軸無人機(jī)不然，其四個(gè)旋翼高度對稱，并保持在同一水平面，對稱的旋翼兩兩旋轉(zhuǎn)方向相同，并與另外一對旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反。這樣一來，就有了一對正槳和反槳之分，兩者產(chǎn)生的反槳矩相互制約，因此達(dá)到了維持無人機(jī)穩(wěn)定的效果。

2.無人機(jī)姿態(tài)控制原理

依靠四個(gè)軸旋翼轉(zhuǎn)速變化帶來升力大小的改變，當(dāng)旋翼產(chǎn)生的升力大于無人機(jī)的重力時(shí)無人機(jī)就能完成升高動作，而小于無人機(jī)重力時(shí)就可以完成下降的動作。

飛行時(shí)姿態(tài)的控制則是通過控制四個(gè)軸方向上傾角的不同來實(shí)現(xiàn)的。對于四軸無人機(jī)的一對正反槳而言，它們相互制衡保持平衡，但每一對槳本身也有著水平上的配合，當(dāng)其中一個(gè)槳提供更大的升力時(shí)，無人機(jī)就會在這個(gè)方向上產(chǎn)生一定的傾角，升力越大傾角越大，使飛行器產(chǎn)生姿態(tài)上的改變。這時(shí)，同時(shí)增大四個(gè)旋翼的升力，就能使無人機(jī)產(chǎn)生在該傾角方向上的運(yùn)動。

由于反槳矩的存在，當(dāng)我們改變正槳或反槳的轉(zhuǎn)速時(shí)，正反槳的平衡被打破，無人機(jī)就會向相應(yīng)力矩差的方向旋轉(zhuǎn)，改變了飛行的方向，做出偏航運(yùn)動。

二、四軸無人機(jī)的設(shè)計(jì)

1.簡介

本次無人機(jī)的設(shè)計(jì)主要基于已有的模塊化系統(tǒng)，由控制器、傳感器、動力部分組成。采用X型結(jié)構(gòu)，有利于直觀的空著和飛行。使用組件構(gòu)成的模式也便于后期增加其它功能，做更深入的研究。

2.控制器

控制器設(shè)計(jì)采用stm32f407芯片，其較高的主頻能滿足飛行控制運(yùn)算所需的要求，同時(shí)又有著低功耗、接口通用、開發(fā)效率較高等特點(diǎn)，有著較多的開發(fā)文檔和資源，利于后期開發(fā)和測試，相較于其他架構(gòu)的控制器芯片有著較高的性價(jià)比。在設(shè)計(jì)中，我們利用該控制器進(jìn)行姿態(tài)解算，結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到四元數(shù)，繼而轉(zhuǎn)換為歐拉角作為PID的輸入。

3.控制算法設(shè)計(jì)

實(shí)際飛行環(huán)境中，各旋翼的動力輸出狀態(tài)和外界影響較為復(fù)雜，控制器輸出的控制信號并不能毫無差錯(cuò)的反應(yīng)到無人機(jī)姿態(tài)上。因此，四軸無人機(jī)還需要利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測其姿態(tài)信息。繼而通過控制器處理傳感器提供的數(shù)據(jù)，相對應(yīng)的修正控制信號，來保證無人機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定。

我們這次選用的MPU6050傳感器就是一個(gè)集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器的集成傳感器。它通過測量角速度、加速度，將其積分，由此得到無人機(jī)姿態(tài)角和速度。傳感器在得到這些狀態(tài)信息后將信息提供給我們選擇的控制器，交由控制器進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)解算。

由于MEMS陀螺儀本身精度的問題，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，其運(yùn)算得出的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的誤差。而MEMS加速度計(jì)也會受到環(huán)境本身的影響。單獨(dú)使用某一部分的數(shù)據(jù)都會造成最終實(shí)際結(jié)果的偏差。因此，為了結(jié)合多個(gè)數(shù)據(jù)，我們使用了四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法作為融合算法，對傳感器采集到的數(shù)據(jù)做整合。使用互補(bǔ)濾波器將陀螺儀輸出的信號做高通濾波，而對加速度計(jì)做低通濾波，這一過程中的四元數(shù)矩陣就是通過上述過程中糾正過的姿態(tài)角的來的。最后將數(shù)據(jù)裝換成歐拉角來描述無人機(jī)姿態(tài)。通過這樣一個(gè)過程來糾正偏差，提高獲取姿態(tài)信息的精度。保證無人機(jī)飛行的穩(wěn)定。

4.動力系統(tǒng)

基于四軸無人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定的的需要，為了及時(shí)反饋控制器的控制信號，其對動力系統(tǒng)中旋翼馬達(dá)轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度有著較高的要求。因此，我們選擇了靠電子調(diào)速器控制的無刷直流電機(jī)，它有著響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速變化范圍大的特點(diǎn)。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電調(diào)輸出的pwm占空比來調(diào)整。

三、總結(jié)

本文圍繞四軸無人機(jī)的原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)了基于stm32控制器的無人機(jī)系統(tǒng)。無人機(jī)各組件工作正常，實(shí)現(xiàn)了四軸無人機(jī)的懸空、垂直升降、前后運(yùn)動，翻滾偏航等基本動作?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)降低了人為控制中的無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)的問題，提高了無人機(jī)使用的可靠性。也為后續(xù)在stm32無人機(jī)平臺上增加新功能與研究打下了基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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