四轴飞行器作品说明书.docx

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四轴飞行器作品说明书

四轴飞行器

作品说明书

摘要

四轴飞行器在各个领域应用广泛。

相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。

本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。

校正加速度计采用最小二乘法。

计算姿态采用姿态插值法、需要对比这三种方法然后选出一种来应用。

控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。

关键词：

四轴飞行器；姿态；控制

1.引言....................................................1

2.飞行器的构成 ..........................................1

2.1.硬件构成..............................................1 

2.1.1.机械构成............................................1

2.1.2.电气构成............................................3

2.2.软件构成..............................................3

2.2.1.上位机..............................................3

2.2.2.下位机.............................................4

3.飞行原理..............................................4

3.1.坐标系统.............................................4

3.2.姿态的表示..............................................5

3.3.动力学原理............................................5

4.姿态测量..............................................6

4.1.传感器校正............................................6

4.1.1.加速度计和电子罗盘...................................6

5.姿态控制................................................6

5.1.欧拉角控制............................................6

5.2.四元数控制............................................7

6.姿态计算.................................................7

7.总结.....................................................8

参考文献...................................................9

1.引言

四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。

随着MEMS 传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。

到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。

目前应用广泛的飞行器有：

固定翼飞行器和单轴的直升机。

与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低 。

本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。

2.飞行器的构成

四轴飞行器的实现可以分为硬件和软件两部分。

比起其他类型的飞行器，四轴飞行器的硬件比较简单，而把系统的复杂性转移到软件上，所以本文的主要容是软件的实现。

2.1.硬件构成 

飞行器由机架、电机、螺旋桨和控制电路构成。

2.1.1.机械构成 

机架呈十字状，是固定其他部件的平台，本项目采用的是碳纤维材料的机架。

电机采用无刷直流电机，固定在机架的四个端点上，而螺旋桨固定在电机转子上，迎风面垂直向下。

螺旋桨按旋转方向分正桨和反桨，从迎风面看逆时针转的为正桨，四个桨的中心连成的形，正桨反桨交错安装。

CAD设计机架如图：

整体如图2-1：

2.1.2.电气构成

电气部分包括：

控制电路板、电子调速器、电池，和一些外接的通讯、传感器模块。

控制电路板是电气部分的核心，上面包含MCU、陀螺仪、加速度计、电子罗盘、气压计等芯片，负责计算姿态、处理通信命令和输出控制信号到电子调速器。

电子调速器简称电调，用于控制无刷直流电机。

电气连接如图2-2所示。

2.2.软件构成

2.2.1.上位机

上位机是针对飞行器的需要，在Qt SDK上写的一个桌面程序，可以通过串口与飞行器相连，具备传感器校正、显示姿态、测试电机、查看电量、设置参数等功能，主界面如图（2-3）。

2.2.2．下位机

下位机为飞行器上MCU里的程序，主要有三个任务：

计算姿态、接受命令和输出控制。

下位机直接控制电机功率，飞行器的安全性、稳定性、可操纵性都取决于它。

下位机的三个任务实时性都要求很高，所以计算姿态的频率设为200Hz，输出控制的频率为100Hz，而接收到命令后，立即处理。

因为电子调速器接受的信号为PWM信号，高电平时间在1ms~2ms之间，所以控制信号输出频率也不能太高。

3.飞行原理

3.1.坐标系统

飞行器涉及两个空间直角坐标系统：

地理坐标系和机体坐标系。

地理坐标系是固连在地面的坐标系，机体坐标系是固连在飞行器上的坐标系。

四轴飞行器运动围小，可以不考虑地面曲率，且假设地面为惯性系。

地理坐标系采用“东北天坐标系”，X轴指向东，为方便罗盘的使用，Y轴指向地磁北，Z轴指向天顶。

机体坐标系原点在飞行器中心，xy平面为电机所在平面，电机分布在{|x|=|y|,z=0}的直线上，第一象限的电机带正桨，z轴指向飞行器上方。

如图3-1所示。

3.2.姿态的表示

飞行器的姿态，是指飞行器的指向，一般用三个姿态角表示，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滚转角（roll）。

更深一层，姿态其实是一个旋转变换，表示机体坐标系与地理坐标系的旋转关系，这里定义姿态为机体坐标系向地理坐标系的转换。

旋转变换有多种表示方式，包括变换矩阵、姿态角、转轴转角、四元数等。

3.3.动力学原理

螺旋桨旋转时，把空气对螺旋桨的压力在轴向和侧向两个方向分解，得到两种力学效应：

推力和转矩。

当四轴飞行器悬停时，合外力为0，螺旋桨的推力用于抵消重力，转矩则由成对的正桨反桨抵消。

当飞行器运动时，因为推力只能沿轴向，所以只能通过倾斜姿态来提供水平的动力，控制运动由控制姿态来间接实现。

假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理，角速度和角加速度由外力矩决定，通过控制四个螺旋桨，可以产生需要的力矩。

首先对螺旋桨编号：

第一象限的为0号，然后逆时针依次递增，如图（3-1）。

同步增加0号和1号、减小2号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供x轴的力矩；同步增加1号和2号、减小0号和3号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供y轴的力矩；同步增加1号和3号、减小0号和2号桨的功率，可以在不改变推力的情况下，提供z轴的力矩。

以上“

增加”和“减小”只是表明变化的方向，可以增加负数和减小负数，提供的力矩就沿对应轴的负方向了。

4.姿态测量

获取当前姿态是控制飞行器平稳飞行的基础，姿态的测量要求低噪声、高输出频率，当采用陀螺仪等需要积分的传感器时，还需要考虑积分发散等问题。

近年来MEMS传感器越来越成熟、应用广泛，成为低成本姿态测量的首选器件，因此该项目使用的传感器全部都是MEMS传感器。

在使用传感器的值进行姿态计算之前，有必要校正传感器

4.1.传感器校正

由于实验条件限制，传感器的校正只有两项，分别对应两种类型的传感器：

陀螺仪——静止时0输出的传感器、加速度计与罗盘——测量某向量场强度的传感器。

4.1.1.加速度计和电子罗盘

加速度计和罗盘都是测量所在点的某个向量场的值的传感器，静态时加速度计测的是等效重力加速度场，电子罗盘测的是地磁场。

下面仅介绍加速度计的校正，罗盘的校正同理。

加速度计测量的对象是比力，也就是等效重力加速度和运动加速度的和，当静止时，运动加速度为0，加速度计的测量值为等效重力加速度，可以利用这一点校正加速度计。

加速度计的校正的思路为：

对测量值平移和缩放，把测量值拟合到重力加速度。

因此校正的任务为：

寻找最佳的平移和缩放参数，使总体测量数据的更靠近重力加速度。

5.姿态控制

姿态计算出来后，就可以输出控制了。

根据被控姿态的表示方式，分为欧拉角控制和四元数控制。

控制的思路为：

设定一个目标姿态，调整螺旋桨，使测量出的姿态变为目标姿态。

为了避免复杂的精确动力学建模，选用PID控制器。

5.1.欧拉角控制

由于欧拉角对应3个轴的旋转，当前姿态和目标姿态的差值可以作为控制输入量，角度的误差直接可以对应力矩的输出。

如果当前姿态和目标姿态相差不大，可以忽略旋转顺序的影响。

5.2.四元数控制

用欧拉角来控制姿态，每次控制都要算3次三角函数，运算量很大。

为了避免三角函数，可以直接用姿态四元数来控制。

思路跟欧拉角控制一样，先求姿态差，再把姿态差输入到PID控制器，来输出油门变化量。

6.姿态计算

为了比较几种姿态计算算法的效果，先在下位机采集数据，然后在电脑上离线处理，这样可以用相同的数据进行计算和比较。

数据分两组，分别对应静态和动态的情况，测量时电机都是开的，因此把电机振动也考虑进来了。

先比较静态的情况。

因为几种姿态融合方法的思路都是：

陀螺为主、加速度计和罗盘用于纠正陀螺误差，因此动态性能取决于陀螺，静态性能取决于加速度计和罗盘，所以静态的情况最能反映姿态融合算法的优劣。

图6-3为三种方法算出的滚转角，取了其中连续的1000个样点，即连续5秒时间的数据。

为了公平比较，先把参数调整到临界值，即刚好能纠正陀螺漂移的值。

由图可以看出，姿态插值法和互补滤波法效果差不多，梯度下降法噪声振幅比前两者都大。

然后比较动态的情况。

如图6-4，“无陀螺姿态”是指仅用加速度计和罗盘计算的姿态，相当于姿态插值法第二部分得到的姿态，可以看到3种算法光滑程度差别不大，因为动态时，性能由陀螺决定，而且相对于几十度的运动角度，零点几度的噪声几乎忽略不计。

但是不同算法不同参数运算的结果相差比较大，由于没有专业的测量仪器，哪种算法的结果更接近实际值有待以后的研究。

比较运算量，姿态插值法远大于梯度下降法，梯度下降法又稍大于互补滤波法。

比较结果效果，姿态插值法跟互补滤波法差不多，都比梯度下降法好一点。

最终方案是选择互补滤波法。

7.总结：

本四轴飞行器小巧精致、安装简便、便于携带，采用了结构及承载效率较高的环形框架与中央塔座相结合的设计，并且机架全部采用轻质高强度碳纤维材料制作而成，使得全机的重量得以控制和优化。

采用3300mAh大容量飞行智能电池，长达25分钟的飞行时间。

飞控采用高精度姿态算法，在室或无风环境下，可以在不控制油门杆的情况下轻松悬停或良好地定高机动飞行，嵌GPS导航系统和雷达锁定系统,可以准确的锁定高度和位置，稳定悬停、可实现失控返航、一键返航等特点。

搭载增稳云台、高亮度LED灯带和高清相机，实现图像实时传输，可轻松实现夜间航行和记录空中视角美丽瞬间。

本四轴飞行器具有广阔的发展前景。

在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。

工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行安全任务检查与搜救工作，能够对执行区域进行航拍和成图等。

参考文献：

[1]彭军桥.非共轴式碟形飞行器研究[D].上海大学2001级硕士研究生学位毕业论文:

[2]姬江涛，扈菲菲，贺智涛，杜新武，剑君.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机化研究.2013.第2期:

[3]晨，杜勇.四旋翼无人机在输电线路巡视中的应用[J].电力.2012.第36卷第6期

[4]鹏，程飞，曹宇强，来，王琪.一种新型四轴搜救飞行器设计[J].科技广场.2010年09期

[5]岳基隆，庆杰，朱华勇翼无人机研究进展及关键技术浅析[J].电光与控制.2010-10.第17卷第10期