四旋翼设计与实现.docx
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四旋翼设计与实现
四旋翼设计与实现
毕业设计论文
摘要
四轴无人机是一种结构新颖的多旋翼飞行器，其通过调节四个电机的转速来实现飞行控制。
与常规旋翼式飞行器相比，对称分布的四个桨叶可使旋翼的反扭矩相互抵消，不需要额外的反扭矩尾桨。
在民用和工业应用领域，无人机因其因其独特的结构和优秀的性有着广泛的应用前景，如灾情救援、交通检测、货物运输等领域都有实际应用的意义。
本文根据无人机的特性，采用了基于ARMCortexM4架构的STM32F3微处理器作为飞控平台。
利用板载的陀螺仪和加速度计MPU-6050内部的DMP功能进行姿态解算，通过PID姿态控制器来实现无人机准确的姿态控制。
同时，在无人机上加装了超声波传感器和GPS模块，可通过2.4G频段的遥控器进行无线控制，以定点定高的悬停功能来实现精准的货物投放。
四轴无人机上又可加装OSD等模块进行数据的实时传输和数据采集，以在实际中有更多应用。
关键词:
四轴飞行器；STM32F3；MPU6050；PID控制；超声波传感器
ABSTRACT
Four-axisunmannedaerialvehicleisanovelmulti-rotoraircraft,whichadjuststhespeedoffourmotorstoachieveflightcontrol.Comparedwiththeconventionalrotorcraft,thesymmetricaldistributionofthefourbladesoftherotortorquecancanceleachother,withoutadditionalanti-torquetailrotor.Incivilandindustrialapplications,unmannedaerialvehiclesbecauseofitsuniquestructureandexcellentsexhasawiderangeofapplications,suchasdisasterrelief,trafficdetection,cargotransportationandotherfieldshavepracticalsignificance.Accordingtothecharacteristicsofunmannedaerialvehicles,theSTM32F3microprocessorbasedonARMCortexM4isadoptedastheflightcontrolplatform.Thepostureoftheunmannedaerialvehicle（UAV）canbecontrolledbythePIDattitudecontrollerbasedontheonboardgyroandtheDMPfunctionoftheaccelerometerMPU-6050.Atthesametime,intheunmannedaerialvehiclestoinstalltheultrasonicsensorandGPSmodule,throughthe2.4Gbandremotecontrolforwirelesscontroltofixed-pointhighhoverfunctiontoachieveaccuratedeliveryofgoods.4-axisunmannedaerialvehiclescanbeinstalledontheOSDandothermodulesforreal-timedatatransmissionanddataacquisition,inpracticetherearemoreapplications.
Keywords:
four-axisvehicle;STM32F3;MPU6050;PIDcontrol;ultrasonicsensor
1概论
1.1选题背景
四轴无人机是一种垂直起降的无人机，有着广阔的应用前景。
在军用和工业应用领域，可用于敌情侦查、灾情监测等。
在民用领域，可用于航拍摄像、搭载物品等。
四旋翼有多个螺旋桨，结构紧凑，能提供强大的升力。
四个螺旋桨同时转动能够抵掉单个螺旋桨旋转产生的反扭矩，而不需要额外的反扭矩桨。
因其较为简单的结构和出色的性能近些年来引起了广泛的关注，迅速成为国内国外研究的热点。
各大高校也先后研究出了有多种用途的无人机，如北航的用作单兵作战的毒蜂II，Upenn的倒立摆无人机等。
顺丰、Amazon等公司也在探索无人机在偏远山区的速递配送业务，相对于人力物流，具有效率高、成本低的优势。
我们注意到身边同学们在高峰时间取寄快递时需要排较长时间的队，可能会耽误到上课时间。
另外，现在同学们购买外卖的频次也很高，在校约九成的外卖都是送到校门口或者宿舍楼下的，有诸多不便。
因此，我们试想用稳定性高、定位准确、负载能力强的低成本无人机来解决这两个痛点。
1.2国内外现状研究
1.2.1四旋翼飞行器的国内发展现状
国内对于四旋翼无人机的研究处于稳步发展阶段，四旋翼无人机因其硬件简单，并且可以很方便的搭载其他辅助设备，近年来已成为各大高校和企业的研究热点。
目前，市场上我国商用无人机占据全球市场份额的70%，以大疆公司为第一梯队，主要用于航空拍摄，航空摄影等。
搭载高精度GPS的大疆lily将在16年正式上市，可实现调解追踪方式，跟踪拍摄等。
目前国内较多四旋翼无人机搭载有简易GPS，定位精度在10米以内，可实现坠机找寻等功能。
根据2013年我们出台的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》指出，重量小于等于7公斤的微型无人机，飞行范围在目视视距内半径500米，相对高度低于120米范围内，无须证照管理。
所以现在市场上很多无人机都是违规的.一是需可能避免遥控飞机进入过高空域;二是在重量上不能高于上述标准，这样的无人机才有实际应用价值。
1.2.2四旋翼飞行器的国外发展现状
目前国外的研究水平略领先于我国，宾夕法尼那样大学的RaffaelloD'Andrea教授的机器人试验室在TED演讲中利用倒立摆系统、模型预测控制（MPC）实现了鲁棒性及时相应、组队飞行拦截小球等场景，目前还未民用化。
2014，谷歌公布实施“翼计划”送货无人机研发项目，希望在两年内推出小型无人机快递服务。
其送货无人机的原型机宽约1.5米，高约0.8米，有4个推进器，能从距地约46米的高度向地面递送包裹。
另外，亚马逊的无人机已经研究到第十代，可以通过视频来捕捉标记板，实现精确定点位，降落。
然而这个标记板可复制性强，很容易造成无人机的丢失。
四旋翼无人机因其不稳定性，非线性和强耦合等特点。
除了受自身机械结构和旋翼影响外，也很容易受到外界的干扰。
所以目前无人机的稳定性是国内外研究的重点。
现在主要有通过改进飞行控制算法、改变无人机结构等方法来改进飞行性能。
2四旋翼飞行模型结构与硬件电路设计
2.1四旋翼飞行器的结构与原理
四旋翼的四个桨叶使用两对正反桨，对角的旋翼使用相同的桨叶。
1号电机和3号电机逆时针旋转，同时2号电机和4号电机顺时针旋转，所以当四旋翼飞行器在平衡飞行的时候，陀螺效应与空气动力扭矩的效应该都被抵消掉。
每个旋翼分别对四旋翼飞行器本身所施加的反扭矩作用的方向与旋翼旋转的方向相反，所以当1号电机和3号电机在逆时针旋转，此时2号电机和4号电机顺时针旋转，就可以平衡旋翼对四旋翼飞行器机体的反扭矩。
图2-1飞行结构原理图
四旋翼飞行器有6个自由度，分别是沿3个坐标轴方向的平移运动和绕三个坐标轴坐旋转动作，对这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。
向上和向下的运动可以通过对4个电机同时做加速或者减速得到，旋翼旋转所产生的升力和与四旋翼飞行器所收到的引力相等时，飞行器就可以保持悬停状态。
在水平面内做前后运动的方法是通过对1号和2号电机做增速或者减速的同时，3号与4号电机做减速或者增速，与此同时保持1号与3号旋翼对四旋翼飞行器机体的反扭矩作用等于2号和4号旋翼对四旋翼机体的反扭矩，此时飞行器在1，2号电机所提供的升力与3，4号电机所提供的动力之差下发生倾斜，这样就可以向前或者向后运动。
向左向右的运动原理与前后运动的原理相同。
1，3号电机的速度不变，2号电机加速（减速）的同时，4号电机减速（增速）就可以得到俯仰动作。
依此类推，横滚动作是对1号电机执行加速（减速）的同时，对3号电机执行减速（增速），同时2号四号电机速度保持不变。
由于升力差的原因四旋翼飞行器便可以完成横滚动作。
偏航运动是在1号和3号电机增速或者减速的同时，让3号和4号电机减速或者增速，在这时1，3号旋翼提供的反扭矩大于或者小于2，4号旋翼提供的反扭矩，飞行器便在扭矩的效果下得到偏航旋转的运动。
可以通过表1简单清晰表达四旋翼飞行器的基本运动与旋翼转速的关系。
表1-1四旋翼飞行器动作与旋翼转速关系表
旋翼1
旋翼2
旋翼3
旋翼4
升降
+（-）
+（-）
+（-）
+（-）
俯仰/前后
+（-）
0
-（+）
0
横滚/左右
0
+（-）
0
-（+）
偏航
+（-）
-（+）
+（-）
-（+）
在表1中“+”表示增加旋翼转速，“-”便是降低旋翼转速，“0”表示转速不变。
2.2飞行器控制硬件电路设计需求分析
飞行控制器需要配备各种传感器，用来实现对飞行器姿态、飞行高度以及位置的测量；配备微控制器经过程序的设计以此实现控制系统的核心，对传感器所测量的数据进行融合计算，依据姿态与位置，结合所设定的控量来实现符合要求的控制输出；设计电机控制接口，根据控制器所运算出的结果输出相应的控制信号对电机转速进行控制，使电机调节到合适的转速。
通过测量、运算、输出完成整个闭环控制系统。
通过以上分析可得，飞行控制器的硬件设计应包含传感器、微控制器、电机调速系统以及电机等。
上述功能模块能够正常工作都需要提供正确的工作电压，然而所选择的锂电池只能提供3.7V的电压，因此还需要设计出适当的稳压模块用来确保飞行控制器的各个模块都能正常工作。
四旋翼飞行器在有限的载重能力基础上需要完成各种复杂的控制，在系统硬件设计元器件选型上应考虑低密度、低功耗、高性价比的电子产品。
而且，在四旋翼飞行器设计的实现阶段，要完成对飞行控制器的程序设计等，在这个期间会有相当多的调试工作需要进行；考虑到之后要对系统进行升级或者再次开发的问题，在硬件系统设计的时候需要考虑到对接口进行标准化设计，注意模块化设计等。
GPS
位置信息
2.4G射频
PWM波
地面控制信号
电机
STM32F3主板
（CortexM4）
三轴欧拉角数据
高度数据
超声波模块
陀螺仪加速度计MPU-6050
图2-2项目原理示意图
2.3元器件的选型
2.3.1微控制器的选型
微控制器在四轴飞行器中有着相当重要的地位。
在飞行时，微处理器MCU通常需要执行各种复杂运算，例如与周围传感器通讯和输出控制电机组。
一般集成CPU、RAM和FLASH等。
在对比了市面上比较主流的几款微处理器，选用了ST公司的STM32F3系列芯片。
表2-2部分主流MCU微处理器
公司
芯片型号
字长
Flash
（k）
RAM（k）
工作电压（V）
最高工作频率
（MHZ）
ST
STM32f103
32
16~512
6~64
2.0~3.6
72
ST
STM32f303
32
128~256
40
2.0~3.6
72
SamSung
S3C6410
32
外部
外部
1.8/2.5/3.3
400
通过对比看出，STM32的芯片相对于SamSung的MCU各方面性能都较好。
虽然SamSung的芯片主频要比ST公司的高，但其不带Flash和RAM，给设计增加了难度。
而STM32f303芯片是在Cortex-M3基础上升级的ATMCortex-M4内核，处理速度提高了20%。
综合考虑后，选用STM32F303CCT6芯片作为主控芯片。
2.3.2传感器的选型
本次设计的飞行控制器所需要的主要参数有两个：
飞行姿态和飞行高度。
接下来针对介绍针对飞行姿态以及飞行高度的传感器选择。
1.姿态检测传感器
四旋翼飞行器的3个轴向的加速度和旋转角速度的测量需要分别使用加速度计和电子陀螺仪来测量。
A.电子陀螺仪传感器
角动量守恒定责是电子陀螺仪工作的理论基础。
一个高速旋转的东西，它转轴的指向不会跟随它的支架旋转从而发生变化，并且外力不容易使转轴的指向改变。
由此我们就能够制造一种保持方向的仪器——陀螺仪。
陀螺仪转轴旋转时受到的阻力很小，提供一定的外力就可以使他以几十万每分钟的速度旋转，并且能够长时间工作。
之后就可以用不同的方式测量轴向，并将轴向转换成数字信号以便于控制器识别。
电子式的陀螺仪采用微型电子机械技术制造，因为很难使用微型电子机械技术在硅片衬底上加工出一个旋转机构，所以其工作原理与机械式陀螺仪完全不同。
科里奥利力，即旋转物体在径向运动时所受到的切向力，是电子陀螺仪工作的基础原理。
电子陀螺仪有两对可移动的电容板，用来检测科里奥利力，径向的电容板加震荡电压迫使振子作径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。
因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。
B.加速度计
加速度计就是测量物体加速时候作用在物体上的力。
加速度计的在测量方式大致可以分为三种:
压电式加速度计、容感式加速度计、热感式加速度计。
压电式加速度计内部有一个质量块，此质量块被一个刚体支架支撑着，质量块在运动的时候会产生压里。
此时刚体就会发生形变，通过形变量将加速度力转换为电信号。
容感式加速度计，也是通过内部质量块在运动时产生的力，使其内部平板电容器的相对面积和相对距离发生改变。
通过电容个变化量来测量加速度量。
热感式加速度计内部就没有质量块的存在了，通过对密闭气腔中的气体加热，在运动的时候热气团的运动会引起热场的变化，通过四周的温度传感器测量热场的变化从而计算出加速度的值。
因为压电式加速度计内部的质量块有刚体的支撑，在静态的情况下基本没有形变量，所以对于静态的加速度没有办法的到很好的测量。
而容感式和热感式，在静态的情况下也能够测量到加速度值，当然动态的加速度值三种方式则都可以测量到。
对于飞行姿态的检测我采用了MPU6050。
免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。
它将三轴MEMS陀螺仪以及三轴MEMS加速度计融合在一起封装子啊一个小小的芯片内，并且内置DMP（DigitalMotionProcessor数字运动处理器），可能够通过IIC接口连接其他的数字传感器，譬如磁力计。
在经过扩展之后MPU-6050能够使用它的I2C接口或SPI接口输出一个9轴数字信号。
压力传感器等非惯性数字传感器也可以通过IIC接口与MPU-6050相连接。
MPU60X0有两种通讯方式IIC接口通讯通讯速率为400KHz，和SPI接口通讯通讯速率为1MHz。
内嵌了一个工作中变动仅有1%的振荡器，和一个温度传感器可以用做温度校准。
使用无引线方形封装方式——LQFN封装，10kg以内的冲击基本不会对它造成损伤，并且拥有可编程的低通滤波器方便用户使用。
2.飞行高度测量传感器
常用的高度测量传感器一般有三种方式：
光学测距，超声波测距以及气压高度。
这三种方式各有利弊，下面通过分析几种高度测量传感器的优缺点来为本系统选择合适的高度测量传感器。
光学测距传感器常见的有两种，一种为红外测距传感器，一种为激光测距传感器。
红外测距传感器的测量距离较小，容易受到自然光的影响，而四轴飞行器飞行到一定高度后红外测距传感器将会失效。
激光测距传感器相对于红外测距传感器来说测量精度以及测量距离都有很大的提升，并且不易受到自然光的影响。
但是激光传感器若照射到人眼睛或者身体其他敏感部位会对个人健康有一定的影响。
并且其价格比较昂贵。
超声波传感器工作稳定，但因其需要发送和接收超声波，所以最小测量距离受到限制。
但价格低廉，最大测量距离也不低。
也不会对危及身体健康。
而空气高度传感器是通过测量气压间接测量海拔高度，因此对环境要求较高，并且在运输型飞行器的设计中，桨叶距离飞行控制器很近，桨叶转动时，产生的气流对气压传感器的影响会很大。
综合以上因素，最终在本次设计中使用超声波传感器作为高度的检测传感器。
超声波传感器发送出一种固定频率的超声波信号，用来消除杂波的影响。
通过计算从发送超声波开始到传感器接收到因为反射效应所返回的超声波的时间来计算此时超声波与在造成超声波反射的障碍物的距离。
这与雷达测距原理相似。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
指向性强，能够传播较远的距离是超声波传感器的两大优点，所以超声波传感器常常用会被用在距离的测量方面。
使用超声波传感器能够快速，的检测到距离，能够满足大多数系统的实时要求。
并且没有复杂的计算与转换。
本系统中使用的超声波测距模块型号为KS-103，它具有单孔收发超声波的功能，最高测量高度10米。
2.3.3电机、桨叶及机臂的选型
电机是四旋翼飞行器的飞行控制器的执行机构，电机能够将飞行控制器的输出转变为四个旋翼的转速，通过旋翼的转速改变各个旋翼所提供的升力和反扭矩，从而起到调节飞行器的姿态的功效。
本系统所要完成的是一个运输四轴飞行器控制系统，具有承重大、灵活性高、稳定性好等特点。
机臂则选用铝合金材质，四个仅100g，坚固耐冲撞。
无刷电机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，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。
总的来说，无刷电机的结构是比较简单的，真正决定其使用性能的还是无刷电子调速器，好的电子调速器需要有单片机控制程序设计、电路设计、复杂加工工艺等过程的总体控制，所以价格要比有刷电机高出很多。
经过对电机参数的考量最终选用了RS2205S无刷电机合1045的正反桨叶可提供足够的升力。
720电机参数如下图2示
图2-3无刷电机参数
2.4硬件电路的设计
本系统的主控芯片为STM32F303CCT6，使用MPU6050传感器作为姿态测量芯片，使用四个N沟道场效应管用来驱动四个无刷电机，而且对每个电机增加了二极管用来续流，避免电机停止时存在的反电动势对电路造成破坏。
2.4.1电源部分
本四旋翼飞行器使用用3.7V500mA的锂电池进行供电。
但是飞行控制器中的各种电子元器件都需要有供给特定的电压才能正常工作。
微控制器、mpu6050电子陀螺仪传感器的工作电压均需要为3.3V的稳定电压。
而且电池不仅为控制器供电也为电机供电，电机运转时电压会产生波动。
所以必须要针对所使用的元器件为飞行控制器设计可靠稳定的供电电路。
为此本系统采用了TPS76333低功耗线性稳压器。
负载电流150mA，完全符合电机及控制板的需求。
并且有着低压差、低功耗、价格便宜的特点。
电路原理图如下：
图2-4电源部分原理图
飞本系统使用3.7V锂电池为系统供应电力。
微控制器与MPU6050用两路独立电源供电，这样能保证系统的稳定运行以及MPU6050测量的准确度。
2.4.2MCU选型
MCU部分包括了STM32最小系统和SWD仿真下载接口，最小系统保证了主控芯片的正常工作，SWD仿真下载接口为系统的开发与调试提供方便。
STM32主要负责的任务是控制MPU6050芯片和HM5883L磁罗盘芯片将传感器的数据利用MPU6050的内置DMP进行数据融合和滤波处理，并使MPU6050芯片解析飞行器姿态并且通过IIC输出四元数，使用从MPU6050获得的四元数计算出欧拉角确定四旋翼飞行器的姿态，控制超声波传感器测量飞行器与地面的相对距离。
之后根据所检测到的四旋翼飞行器的飞行信息，结合所制定的控制方案，计算出各个电机所需要的输出控制量，输出PWM驱动电机使四旋翼飞行器能够稳定的飞行。
在MCU部分我们将芯片的BOOT0接地，而没有使用做成选择的模式，目的是为了减少PCB空间，并且减轻四旋翼飞行器的重量。
这样做使我们无法使用ISP下载模式（BOOT0=1，BOOT1=0），但是不影响我们的正常开发和调试。
STM32上存在着两个决定着程序的起始位置的管脚BOOT0及BOOT1，STM32复位后从芯片的哪一区域开始执行指令由他们复位时的状态决定。
图2-5晶振及复位电路
在晶振电路中我选择使用封装格式为3213的村田8M无源贴片晶振，体积小质量轻。
复位按键也使用3x6x2.5mm的小巧型按键。
配上104电容和2.7K电阻构成RC复位电路。
下载接口使用四线SWD仿真下载方式，避免了JTAG接口占用板子空间加重四旋翼飞行器。
在标准的SWD仿真下载接口上应给SWDIO接上拉电阻，SWCLK接下拉电阻，但是在我以往使用经验上来看无需接上拉和下拉也可使用，而且接上上拉下拉电阻之后也可造成下载时Jlink无法找到芯片的问题。
图2-6SWD仿真下载接口
我们只需要将JLINK的1号脚连接VDD，7号脚连接SWDIO，9号脚连接SWCLK，20号脚连接GND便可以完成JLINK的SWD仿真下载模式的连接。
在KEIL中设置下载方式为SW便可正常下载程序。
2.4.3传感器部分
MPU6050使用I2C与主控芯片进行通讯，电路部分仅需要分配好I2C接口，设置好I2C地址。
当MPU6050芯片连接到STM32微控制器的时候，MPU6050就作为IIC总线上的一个从设备。
AD0引脚是从设备MPU6050在IIC总线上的地址控制引脚，这个引脚控制从设备的IIC地址的最低位。
如果这个引脚连接到GND，则MPU6050芯片的IIC总线地址为：
0X68，如果此引脚连接到VDD，则芯片的IIC地址为0X69。
图2-7MPU6050模块原理图
2.4.4动力部分
本系统使用PWM来对直流无刷电机的转速进行调节。
四旋翼飞行器的动力供应由四个电机和两对正反旋翼组成。
无刷直流电机是一种功率器件，因此需要较大的电流才能驱动此电机使电机按照要求工作，STM32控制器的输出能力有限不能直接驱动无刷电机使其正常运转，所以需要选用适当的功率器件来驱动。
本次设计使用了四个N沟道的场效应管用来驱动四个无刷直流电机，A2SHB具有较大的漏极输出电流，当VGS为3.7V时能通过的最大的电流为2.8A。
因为本系统所使用的无刷电机在转动的时候会产生很大的冲击电流，因此需要加上二极管给电机工作时所产生的反电动势提供一个放电回路。
下拉电阻R3防止上电时电机转动。
如图2-8所示。
图2-8电机驱动电路
3控制器软件设计
3.1控制算法选择
因为四旋翼飞行器在飞行时可能会受到气流或者其他非线性因素的影响，这样会使四旋翼飞行器的飞行环境变的更为复杂，而且四旋翼飞行器在飞行过程中会同时受到多种物理效应的影响，
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