四旋翼自主飞行器设计方案曾庆涛.docx
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四旋翼自主飞行器设计方案曾庆涛
关键词：
四轴飞行器；姿态控制；PID调节
Abstract
Four-rotoraircraft,alsoknownasFouraircraft,fouraircraftinrecentyearsbecomepopular,becauseofitssimplestructure,takingoffandlandingaircraftwithrespecttothetraditionalsmallspacerequired,andflexibleFouraircraftoperation,easytocontrol,theabilitytoflywell,canbeusedasaerialphotography,andotherinvestigativetools.Inthefuturecivilianandmilitaryfieldswillbeahugeprospect.Currently,theresearchofaxisaircraftinitsinfancy,isnotverymature,coupledwithanunstableaircraftaxisline,nonlinearcharacteristics,fourdesignrequirementsforstabilityisveryimportant.Inthisdesign,theneedtoachievefour-axisverticaltakeoffandlandingaircraftsuchasthedesignrequirements,thecontrolmethodistotaketheaircraftaxisattitudecontrol,thecontrolsystemconsistsofa2.4GHzwirelesstransmittermodulenrf24l01,stm32microprocessor,mpu6050gyroinstrument,accelerometers.ProvideflightpoweredbyabrushlessDCmotortotheaxis.Finally,throughthePC,adjustPIDparameterstoachieveFouraircraftflightrequirements.
KeyWords：
four-rotoraircraft；attitudecontrol；PIDregulator
1概述
1.1研究背景
四旋翼飞行器也称四轴飞行器，简称四轴、四旋翼，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。
近几年随着微机电系统（MEMS）的兴起，各种微处理器性能的完善，四轴飞行器的发展十分迅猛。
四轴飞行器利用有四个无刷电机来提供动力进行空中飞行，它的尺寸较小、重量较轻、可以携带一定的负载，有自己独特的应用，像航拍等。
同时可以完成一些复杂、困难的任务。
随着理论技术的日趋成熟，以及控制系统理论的完善，四轴飞行器性能也越来越强大，不久的将来，各种各样的四轴产品将会运用到社会生活的各个领域，军事领域、工业领域、生活领域，都将会看到四轴飞行器的身影。
也许，科幻电影里的航空城不在是梦想，四轴飞行器可能就是我们常用的交通工具，就像现在的汽车一样。
四轴飞行器与传统飞行器相比有许多优势，像灵活性、机动性远远强于传统的飞行器。
因为它的种种优点，研究四轴飞行器是必要的，在未来的航空领域中，四轴飞行器的地位举足轻重。
1.2国内外现状
早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。
多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器类与控制理论上的要求非常高,所以一直到本世纪初期，MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。
特别是欧美的一些先进国家，在小型，超小型无人机研究领域中，多旋翼无人机已逐步取代直升机式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。
欧美据有代表性的科研团队有美国的MIT，德国的AscendingTechnology，法国的Hesychastic，美国的Pennsylvania等。
作为产品来开发的主要有MicroDrones,Dragonfly,Micropterous等企业。
这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手于多旋翼无人机的研究开发，分别在06，07年前后研发出各自的新型机体，并在市场上开始了贩卖。
日本也计划在明年将开发的6浆飞行器产业化，用于喷洒农药。
中国国内对多旋翼无人机的开发起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。
代表性的机构有南航、北航、国防科技大学、中南大学、吉林大学等。
大多数的无人机科研机构至今仍然停留在理论探讨及模拟上。
南航、北航等少数科研机构虽制作出了样机，但因缺乏多旋翼机控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的多旋翼无人机研制成功的报道。
随着科技的发展，无人机的应用领域已逐渐从军用过渡到民用，警用。
低造价，高飞行性能的多旋翼无人机无疑会对这个过渡起到一个极大的推动作用。
在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域都有着很大的需求空间。
各界人士已经提出了对多旋翼无人机的期待希望未来的几年，国内对多旋翼无人机的研发能够取得突破，研发出中国自己的高性能无人机。
1.3本次设计的主要内容
本设计主要通过STM32微处理器采集3轴加速度传感器和3轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制4个高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的悬停、升降、前后左右移动，控制四轴飞行器方法是采取的姿态控制，该控制系统主要由2.4GHz的NRF24l01无线发送模块，STM2微处理器，MPU6050陀螺仪，加速度计组成。
通过无刷直流电机给四轴提供飞行动力。
最后通过上位机，调节PID参数，实现四轴飞行器飞行要求。
设计实现的主要功能：
（1）通过加速度传感器识别飞行器倾斜状态并控制；
（2）通过陀螺仪传感器识别飞行器的姿态并实现控制；
（3）控制4个无刷电机实现飞行器运动；
（4）通过2.4GHzNRF24l01无线通讯模块与上位机进行通讯接收命令。
2四轴飞行器的硬件设计
2.1四轴飞行器的飞行原理
四轴飞行器结构形式如图所示，由四个呈十字交叉的螺旋桨组成，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转。
四轴飞行器在空间有六个自由度，可以分别沿X、Y、Z轴做平移和旋转。
图2-1四轴飞行器样图
通过调节各个电机的不同转速，可以使飞行器实现以下飞行状态：
2.1.1垂直运动
如图（a）所示（沿Z轴），垂直运动时四轴飞行器最简单也是最容易实现的控制状态。
保持电机1、2、3、4的转速相同，它们产生的扭矩刚好可以相互平衡，四轴不会发生水平面内的旋转，逐渐增大电机的转速，当产飞行器产生的升力可以克服自身的重力，飞行器就可以实现垂直向上运动；当升力与重力相等时，飞行器实现悬停；降低飞机的转速，飞行器垂直向下运动，直至降落。
2.1.2俯仰运动
在图（b）中，使电机1的转速上升，同时使电机3的转速下降，而电机2、电机4的转速保持不变。
在这个过程中，电机1和电机3改变量应该大小相等。
当电机1和电机3产生的不平衡扭矩达到一定的时候，飞行器将绕y轴旋转（方向如图所示）。
同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
图2-2四轴飞行器飞行动力原理
2.1.3滚转运动
滚转运动和俯仰运动原理相同，区别在于一个是沿Y轴，一个是沿X轴。
效果如图c所示。
2.1.4偏航运动
四轴飞行器的电机两个正转两个反转，当它们转速相同的扭矩为零。
当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。
如图d所示，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在多余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。
图2-3四轴飞行器飞行动力原理
2.1.5前后运动
在图e中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。
按图b的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。
向后飞行与向前飞行正好相反。
当然在图b图c中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y轴的水平运动。
图2-4四轴飞行器飞行动力原理
2.1.6倾向运动
由于四轴飞行器结构对称，倾向运动和前后运动只是方向不一样，原理完全相同，如图f所示。
小结：
主要讲四轴飞行器的运动原理，由于没有磁场传感器，偏航运动实现不了。
2.2四轴飞行器的硬件设计思路
图2-5四轴飞行器电气结构图
实现过程为：
接通电源，打开上位机，使上位机和飞行控制器建立联系。
MPU6050会把当前飞行器的姿态角和加速度反馈到上位机，它们之间用NRF24l01通信，通信频率为2.4G,可以满足实时通信的要求。
当你需要改变飞行器的飞行状态时，通过鼠标和键盘控制，改变飞行器各个电机的转速，这一过程是通过STM32芯片调节电机的占空比实现的。
（PWM调节）
2.2.1姿态测量系统
四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量（即称为六自由度）。
传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
（1）加速度传感器
加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角度,利用了地球万有引力，把重力加速度投影到X,Y,Z轴上，测量出物体的姿势。
（2）陀螺仪
利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。
跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。
2.2.2电机驱动模块
根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给控制器模块，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。
从而实现四轴飞行器不同的飞行状态。
2.2.3主控制模块
中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率（俯仰角速率、横滚角速率）、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量，转化为相应的PWM信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四轴飞行器稳定飞行，通过无线通信模块与地面站进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。
PWM脉冲控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。
也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
2.2.4电机驱动模块
通过控制PWM可以实现对加在两端实际等效电压的控制从而实现控制速度，PWM占空比越高，等效电压就越高，占空比越低，等效电压就越低。
2.2.5无线通信模块
通过无线网络建立地面控制站和飞行器的通信链路。
地面控制站向主控模块传输飞行和任务控制指令，同时中心控制模块发送飞行状态、任务状况等。
2.2.6电源模块
电源模块为机载控制系统、电机等提供电源。
电池有镍氢电池和锂电池。
锂电池的电流释放量C系数普遍比镍氢电池大，而且比较恒定，因此选择锂电池。
电池的选择主要看两个性能：
一是容量，二是倍率。
容量越大，飞行器的续航能力就越长。
但容量越大的电池其重量就越重，因此容量选择既需要满足有一定的续航能力，且较轻。
本章小结：
整体方案参考了网上很多四轴制作的案例，由于条件限制，设计使用的传感器只有最常见的加速度计和陀螺仪，因此整个设计方案并不够完善，还有许多需要改进的地方。
3硬件设计
3.1器件清单列表
F330机架、朗宇angel系列无刷电机（4个）、30A中特威AL电调（4个）、正反桨各两片、锂电池2200mah一块、STM32芯片一片、MPU6050、NRF24l01收发模块。
各个部分的连接如下图所示：
图3-1四轴飞行器电气结构图
所有器件组合起来，构成如下的四轴飞行器：
图3-2四轴飞行器电气实物图
3.2模块的介绍
3.2.1上位机
上位机的主要作用是显示飞行器的飞行姿态和发出对飞行器的控制信息。
利用上位机，我们可以很方便的对飞行器就行PID调节，可以实时改变飞机的参数。
上位机还有波形显示，校准等基本功能。
图3-3上位机操作界面
3.2.2NRF24l01收发模块
NRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。
NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA。
接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
管脚次序
管脚定义
功能描述
1
GND
电源地（方形焊盘）
2
VCC
输入电源（3.0—3.3V）
3
CE
工作模式选择，RX或TX模式选择
4
CSN
SPI使能,低有效
5
SCK
SPI时钟
6
MOSI
SPI输入
7
MISO
SPI输出
8
IRQ
中断输出
图3-4NRF24l01管脚图
图3-5NRF24l01电路原理图
无线模块的通信调试中过程中遇到了很多问题，首先是收发端的程序必须要配对使用，还要设置相同的波特率，无线模块才可以进行收发信息。
这是设计过程中的一大难点。
3.2.3MPU6050模块
MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器等外接传感器。
感测范围:
MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec（dps），可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。
MPU-6050可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V±5%。
MPU-6050的包装尺寸4x4x0.9mm（QFN），在业界是革命性的尺寸。
其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。
MPU6050是整个飞行器能够飞行的保证，就像是飞机的感官一般，时刻反应着飞行器的各种状态。
然后通过stm32芯片的处理，输出信号去控制电机的转速，从而保证飞行器可以稳定飞行，并根据飞行要求调整自身。
图3-6MPU6050电路原理图
3.2.4STM32芯片
飞行器的大脑，核心部件，信息的交换、处理中心。
本次设计中使用的STM32具体型号是STM32F103VET6。
图3-7STM32F103VET6引脚图
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
按性能分成两个不同的系列：
STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。
所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C和S、3个USART、一个USB和一个CAN。
图3-8最小系统电路
3.2.5电调
电调全称电子调速器，英文electronicspeedcontroller,简称ESC。
针对电机不同，可分为有刷电调和无刷电调。
它根据控制信号调节电动机的转速。
对于它们的连接，一般情况下是这样的：
（1）电调的输入线与电池连接；
（2）电调的输出线（有刷两根、无刷三根）与电机连接；
（3）电调的信号线与接收机连接。
同时，电调可以输出一个5V左右的稳压直流电源，可以直接为主控芯片供电，可以省掉一个稳压电路。
信号线为接收机供电，接收机再为舵机等控制设备供电。
在本次设计中，使用的是无刷电调，输出线有三根，一根5V的电源，一根地线，还有一根PWM信号控制输出线。
由于电调输出的5V电压足够稳定，可以直接用来给飞控供电。
3.2.6无刷电机
无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。
结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；有刷电机的转子是线圈绕组，和动力输出轴相连，定子是永磁磁钢；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushlessmotor）。
无刷电机简明运行原理:
简单而言，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。
无刷电机的优点：
（1）无电刷、低干扰
（2）噪音低，运转顺畅
（3）寿命长，低维护成本
无刷电机KV值定义为转速/V，意思为输入电压增加1伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。
从这个定义来看，我们能知道,无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。
本次设计中，无刷电机的KV值为980，额定工作电压为11.1v。
当油门调到最大时，电机转速可达到每分钟两万多转，负载1kg左右的东西飞行器依然可以正常飞行。
由于电机的高转速，在调试过程中，要注意别被桨刮到。
4控制部分
本设计只有两个传感器，只能测量四轴飞行器的PITCH和ROLL两个自由度，不能测量YAW。
程序控制的思路如下图所示：
图4-1程序流程图
4.1姿态控制系统功能
四轴飞行器是一个具有6个自由度和4个输入的欠驱动系统,具有不稳定和强耦合等特点,除了受自身机械结构和旋翼空气动力学影响外,也很容易受到外界的干扰。
无人机的姿态最终通过调节4个电机的转速进行调整,飞行控制系统通过各传感器获得无人机的姿态信息,经过一定的控制算法解算出4个电机的转速,通过I2C接口发送给电机调速器（简称电调）,调整4个电机的转速,以实现对其姿态的控制。
姿态控制是整个飞行控制的基础,根据姿态控制子系统的数学模型,姿态控制系统需要检测的状态有:
无人机在机体坐标系下3个轴向的角速度、角度和相对地面的高度。
飞控系统担负着传感器信息采集、控制算法解算及通信等各种任务,是整个无人机的核心,其主要功能有:
（1）主控制器能快速获得各传感器的数据,并对数据进行处理。
（2）传感器实时检测无人机的状态,包括姿态、位置、速度等信息。
（3）主控制器能与PC机进行数据交换。
（4）系统能进行无线数据传输。
实现以上功能的模块式MPU6050和NRF24l01。
4.2姿态解算
姿态矩阵的解算是惯导系统实时计算的核心，四元数法效率高、实时性好，因此该法应用最广泛。
在飞行器六自由度动力学仿真中，由于质心运动和绕质心运动是相互耦合的，所以姿态解算方法也是影响动力学仿真性能的重要因素。
无论是惯导计算还是动力学仿真计算，姿态解算的流程一般为：
首先由惯性器件或姿态动力学积分得到飞行器相对于基准坐标系的角速度或角增量；然后采用不同的姿态解算方法对角速度或角增量进行积分，得到欧拉角或四元数信息；最后计算姿态矩阵。
这部分知识很深奥，花了几天时间也只了解了一些基本知识，只有先引用来做我的毕业设计。
4.3PID控制
PID（比例（proportion）、积分（integration）、微分（differentiation））控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为:
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt].................
（1）
式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：
G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s].....................
（2）
其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
PID控制器用途广、使用灵活，在使用中只需要设定三个参数（Kp，Ti和Td）即可。
有些情况下去其中的一到两个单元，但比例单元必不可少。
PID的参数比较容易整定，在本次设计中，我采用的PID整定方法就是直接通过上位机改变PID的参数。
图4-2上位机PID调节界面
通过改变上图中PITCH和ROLL框格中的PID参数，然后通过无线发送模块写入飞控，就可以调节飞行器的状态。
不同的参数，会使飞行器有明显不同的飞行状态，在PITCH（187,5,4）和ROLL（187,5,4）的时候，飞行器可以实现悬停。
但是外界的因素对飞行器的稳定有很大的影响，一点点改变就导致飞行器乱飞。
系统控制的稳定度不高。
本章小结：
调试部分是我本次设计中花费精力最多，主要是因为调试的难度很大，首先是通信问题，其次是四轴飞行器飞行特别不稳定，当PID参数设置不当时，飞行器就会发散震荡，毫无规律的乱摆。
后来，借鉴了其他人调节四轴飞行器的方法，用绳子把四轴飞行器固定，然后先调一个参数，观察运动情况，然后在慢慢增大或减小参数，让飞机能够脱离地面，同时只有小幅震荡。
经过前前后后将近20天左右的调试，飞行器终于能够平稳飞行，但必须有绳子固定住，而且飞行器还特别容易失控，所以俯仰运动和前后运动没有调试成功。
调试过程中，也出现了很多问题，首先是飞行器的稳定度太低，导致失控，有次还把桨片折断了。
自己前期的准备不够充分，没有在四轴飞行器上设计磁场传感器，这可能也是导
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