基于WIFI的智能多功能微型四旋翼飞行器设计

高光耀 马文来 刘安

摘要：本文基于WIFI无线传输技术，通过建立四旋翼飞行器的空气动力数学模型，结合实际需求分析，通过单片机总控，各功能模块有机整合，优化软硬件设计，完成最终制作调试，实现飞行器的自由巡航、悬停、降落和视频探测等功能，达到了预期设计目标。

关键词：WIFI;四旋翼;飞行器

1.引言

四旋翼飞行器是一种可以实现垂直起降的旋翼式无人飞行器，具有操控简单，体积小，机动性强，启动快，方便拍摄等优点，能及时地将诸如地震、矿难等特殊现场第一手资料传送回控制中心，帮助我们了解现场状况并作出正确判断[1]。

国外对旋翼式飞行器的研究较多且较深入，我国在该领域的研究起步较晚，成果相对较弱，并且侧重点有所不同，有的侧重数学建模，有的侧重自动控制与研发等等[2]。

本文于是针对自然灾害等特殊现场设计了一种基于WIFI的智能多功能四旋翼飞行器，采用独立控制的四旋翼，升力更大，同时可狭小空间内起降，还具有机械结构简单、机动灵活、操控性高及成本低等优势。

2.建立动力学模型

2.1 坐标变换

四旋翼飞行器的四个旋翼都高速旋转，其所受的空气动力比较复杂，要建立非常准确的空气动力学模型比较困难，为了简化四旋翼飞行器的数学模型，可忽略其弹性形变[3]。为了相对准确的描述飞行器运动状态，建立三维数学坐标系，也叫机体坐标系。OX轴指向地平面方向，由右手定则确定OY轴和OZ轴的方向。用原点O表示飞行器的重心，则OX轴指向飞行器的前方，OY轴指向飞行器的右方，OZ轴指向飞行器的上方。地面三维坐标系与机体坐标系之间存在三个欧拉角：偏航角ψ（沿Z轴方向）、滚动角φ（沿X轴方向）和俯仰角q（沿Y轴方向）。两个坐标系之间的关系如下：

，，（1）

可进一步的转换矩阵得：

（2）

经计算可得如下坐标转换公式：

（3）

经过坐标转换后对其进行数学建模则相对简单。

2.2 建立数学模型

该飞行器在机体坐标系下的受力可表示为[4]：

（4）

转移到地面坐标系上的线位移运动方程可表示为：

（5）

因该飞行器飞行速度相对较低，则空气阻力系数可以忽略不计。由欧拉方程可得角度运动方程可表示为：

（6）

解方程化简可得：

（7）

为计算方便，做以下定义：

（8）

将公式（8）与（2）合并即得四旋翼飞行器的运动方程即其数学模型：

（9）

3.硬件设计

各部分的电路设计包括：主控模块、驱动模块、通信模块、电源模块等。

3.1 主控模块

主控电路是以STC89S52为核心组成，可通过编程控制外围各种电路和元器件的工作。STC89S52具的FLASH存储器、RAM，定时器、外部中断等方便使用，且价格适中，性价比高[5]。

3.2 驱动模块

选用L298N电流电机驱动模块，其工作电压高，输出电流最大可达3A，持续工作电流2A，额定工作频率25W。内含高电压电流全桥式驱动器，采用标准逻辑电平信号控制，控制直流电机更加简单容易。该驱动模块使用光耦将电压与信号电压分隔，增强了可靠性。

3.3 通信模块

通信模块主要完成信号转换功能，由作为主控芯片的MAX232组成，将RS232信号转换为TTL信号，实现单片机与路由器之间的通信。其工作稳定，转换精度高且功率低价格便宜。

3.4电源模块

飞行器通过可充电锂电池供电，电池电源由L7805稳压芯片调节电压，内部含调整管、过热及过流保护，可靠性好，所需外围元件少，且成本较低。完成电池的供电电压平稳，使飞行器状态稳定。

4.软件设计

四旋翼飞行器的控制部分的作用主要体现在控制飞行器的巡航、起飞、降落、悬停等几个方面，控制模块通过采集角速度的反馈参数来调整各个电动机的转速实现飞行姿态的变化。四旋翼的电机驱动性能的好坏及正常工作与否直接决定了飞行器的起飞质量。主要控制策略为：首先设置电机启动参数，当电机收到驱动信号时启动，并通过传动装置带动四副旋翼旋转，当需改变飞行姿态，即改变旋翼转速时，电动机则按收到的反馈信号改变转速实现飞行姿态的改变。

5.结论

完成硬件组装及软硬件综合测试后，通过试飞获得该基于飞行器的主要飞行参数为：飞行高度为0-100m，自重1kg，飞行速度0-36km/h，载重0-1.5kg，有效控制距离约320m。如图2所示，飞行器各项参数性能良好，达到了预期设计目标，证实了其具有较高理论研究意义和实用价值，在军民用领域应用前景广泛。

图2四旋翼飞行器

参考文献：

[1]王俊生.四旋翼蝶形飞行器控制器系统设计与控制方法研究[D].国防科学技术大学，2007，（11）.

[2]杨庆华，宋召青，时磊.四旋翼飞行器建模，控制与仿真.海军航空工程学院学报.2009，（9）.

[3]胡宇群.微型飞行器中的若干动力学问题研究[D].南京：南京航空航天大学，2002.

[4]申安玉，申学仁，李云宝.自动飞行控制系统.国防工业出版社.2003，（5）

[5]范立南，谢子殿主编.单片机原理及应用教程[M].北京：北京大学出版社，2006 ，（2）.