多旋翼自主飞行器

西北民族大学电气工程学院　赵宇萌　邢　宇

多旋翼自主飞行器

西北民族大学电气工程学院赵宇萌邢宇

四旋翼飞行器系统由数据采集、数据信号处理、飞行姿态和航向控制部分组成。系统选用瑞萨RL78/G13 MCU板作为主控芯片，通过超声波采样判断离地高度，从而调节PWM保证飞行器控制在h1和h2示高线范围内。采用MPU-6050芯片采集飞行器的三轴角速度和三轴角加速度数据，对这些数据进行PID算法处理给出相应指令，对飞行姿态进行控制。用激光传感器检测出黑色指示线，使飞行器在指定飞行区域及到达指定圆形区域，同时用摄像头进行拍摄工作。

四翼飞行器；RL78/G13 MCU板；MPU-6050；超声波测距

1　系统方案

本系统主要由控制模块、电机调速模块、高度测量模块、电源模块、循迹模块组成。采用瑞萨RL78/G13 MCU开发板为主控芯片，采用MPU-6050芯片采集的数据，对从MPU-6050芯片中读取到的一系列数据进行PID算法处理，通过PWM输出给飞行器的电调给出相应指令对飞行器的飞行姿态进行控制，同时通过超声波传感器可以方便的测出飞行高度。电源采用锂电池减轻飞行器的自身重量。

2　系统理论分析与计算

2.1四旋翼飞行器的基本原理的分析

2.1.1基本工作原理

四旋翼飞行器是由固连在刚性十字交叉结构上的4个电机驱动的一种飞行器［1］。

四旋翼飞行器产生基本动作的原理：电机l和3逆时针旋转驱动两个正桨产生升力，电机2和4顺时针旋转驱动两个反桨产生升力。反向旋转的两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵消，保证4个电机转速一致时机身不发生转动。电机1和4转速减小（增大），同时电机2和3转速增大（减小），产生向前（后）方向的运动。电机1和2转速减小（增大），同时电机3和4转速增大（减小），产生向左（右）方向的运动。4个电机转速同时增大（减小）产生向上（向下）的运动。对角线的电机一组转速增大，另一组转速减小产生自身旋转运动［2］。

2.1.2系统结构及硬件组成

三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成姿态测量系统，主控制器将姿态测量系统的数据进行解算得到当前姿态，再与通过无线模块接收的姿态控制指令一起作为姿态PID控制器的输入，姿态控制器输出相应的PWM信号分别驱动4个电调，进而改变4个电机的转速实现姿态控制［3］。旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称的安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备［4-5］。

2.2姿态解算算法计算

2.2.1初始姿态获取

当飞行器处于静止状态时，参考坐标系下的加速度为重力加速度（）=（0，0，0），可得：

2.2.2四元数姿态更新

首先将欧拉角转换为四元数，然后进行四元数的更新，如式（2-6）。代表陀螺采样时间间隔。代表载体坐标系下的角速度，由陀螺得到［9-10］。

2.2.3规范化四元数

表征旋转的四元数应该是规范化四元数，因为计算过程中四元数会逐渐失去规范化特性，所以必须对四元数做规范化处理。使用互补滤波器矫正后的欧拉角，先转换为四元数，然后使用式（2-7）对其进行规范化后再进行更新操作。

2.3PID控制算法的计算

PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成［11］。输入一般是系统输出与一个参考值的差值即控制偏差，然后把这个差别用于计算新的控制量，目的是可以让系统的输出达到或者保持在参考值。对角速度做积分预算实际得到的就是角度，若四轴有一个倾斜角度，则四轴就会自动调整，直到四轴的倾角为零，所产生的抵抗力与角度成正比［12］。若只有积分的作用，会使四轴产生振荡，必须将P和I结合起来一起使用［13］。

3　电路与程序设计

3.1电路的设计

系统总体框图：

图1　系统总体框图

3.2程序设计思路和流程图

主程序流程图如图2所示。根据瑞萨RL78/G13 MCU板的特点，主要思路：单片机上电、延时等待电源稳定、减少电源波动对系统的干扰，之后利用定时器设定电机PWM周期、串口初始化，在串口中断服务函数中不断接收各类传感器发送的数据，且为数据的有效性设定特定帧头、状态位、结束位和校验位。在初始化结束后，设定目标姿态、进入循环函数，不断检测各类传感器数据是否接收完成，一旦接收到有效的姿态数据，就进入姿态控制函数。在姿态控制函数内部，利用当前四轴飞行器的翻滚和俯仰数据，结合模糊控制算法，解算出不同姿态，每个空心杯电机需要的调整量，这样不断的接收姿态数据，解算数据，调整量输出，使四轴飞行器稳定的飞行。

4　测试方案与测试结果

4.1测试方案

4.1.1硬件测试

检查多次，仿真电路和硬件装置，硬件测试：在硬件电路组装前，先进行电子调速器和电机的单独测试，组装完成后用遥控器进行整体测试。

4.1.2软件仿真测试

在调试程序之前，先用示波器观察瑞萨单片机PWM输出，并用程序模仿飞行器的飞行方法，通过对其仿真来测试PWM的稳定度。

图2　主程序流程图

4.1.3硬件软件联调

对飞行器起飞、悬浮、降落、前进、后退、左转、右转进行测试，利用实际飞行区进行测试。

4.2测试条件与仪器

测试条件：电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。且在试飞场地进行多次测试到达目的时间和偏离目的地情况。

测试仪器：高精度数字示波器，数字万用表，四轴飞行器专用遥控器。

4.3测试结果及分析

4.3.1测试结果

表4-1　A到B测试表

4.3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，可以得出以下结论：（1）测量的最大时间符合设计所规定的时间。（2）飞行器在空中飞行时间越长，控制性能越好，飞行越稳定，飞行器降落时偏离目标距离越短。

综上所述，本设计达到设计要求。

5　结论与心得

此次设计用到了瑞萨芯片输出PWM波控制无刷电机的转速，通过I2C通信系统连接MPU6050传感器控制飞行器的平衡，并运用了姿态算法、标准PID算法，使其达到一致从而保证飞行器稳定飞行。

在对四轴飞行器测试过程中，有很多问题。由于电机和机架的震动，加速度计对姿态的估计干扰无法消除，使得遥控器不给控制指令的时候，四轴飞行器也会往一边偏移运动；陀螺仪的误差导致长期姿态的估计误差会越来越大；四轴飞行器的稳定飞行对四个电机或电调性能的一致性要求较高。

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赵宇萌（1994—），女，河北晋州人，大学本科，现就读于西北民族大学电气工程学院。