炫舞四翼飞行器控制系统的设计与制作

陈花卫

随着科技研发的迅速发展，对于微型四翼飞行器研制的技术门槛和硬件成本已经大幅度降低，现如今不管是国内还是国外的各大科研单位和高校的四翼飞行器爱好者都已经投入对四翼飞行器的研制当中。本文主要对炫舞四翼飞行器控制系统进行了研究设计。

【关键词】四元法 MPU6050 PWM PID控制算法

1 炫舞四翼飞行器的结构及控制原理

炫舞四翼飞行器的飞行控制系统主要由：驱动电机、被控对象（机体）、飞行控制器、传感器装置等组成；如图1所示；传感器就是将炫舞四翼上电机装置中的三轴角速度速率以及三轴加速度速率的各种信息；如倾斜角、俯仰角、偏航角等；传感器将其物理然后飞行控制其将处理的结果与预先设定的稳定飞行信息进行处理及计算，最后通过PWM占空比来调节电机的转速控制炫舞四翼的飞行状态。

炫舞四翼飞行器的结构原理如图2所示，电机 m1和电机m3为一组， m2与 m4为另一组，这两组电机为四旋翼提供飞行的动力；其为对称的十字形模型，我们只要控制这两对电机的旋转方向不同，转速相同；这样电机带动旋翼生成的扭矩力之间就会因为大小相等，方向互反，从而作用效果相互抵消；通过旋翼旋转产生的升力的作用下做各种运动，为满足相应的运动的变化，使升力在相应方向上产生分力，炫舞四翼飞行器在此力的作用下，按其方向飞行。炫舞四翼飞行器只有4个输入，却有6个输出，所以说它是一个欠驱动系统；因此我们需要一个6对4的调节，所以在后期选择电机的时候选了MPU6050，它集成了三轴加速度计与三轴陀螺仪，这样对于我们的测量和控制得以很大的帮助；相对直升机而言，炫舞四翼飞行器不需要舵机抵消反扭矩力，这也是它运动控制上的一大优点。

2 炫舞四翼飞行器控制系統的硬件设计

炫舞四翼飞行器控制系统主要包括：MCU最小系统模块、电源模块、飞行姿态检测模块、驱动电机模块、遥控发送接收模块5大模块，如图3所示。其中MCU最小系统模块主要采用ARM Cortex?-M3内核低功耗的STM32F103RCT6作为主控芯片，STM32F103RCT6是一款32位的单片机，支持各种存储设备，Flash是256k，拥有各种时钟电路、定时器、看门狗等等；由于炫舞四翼飞行器是一个欠驱动系统，电机调速这块必须选一个4个输入，6个输出的装置，于是选择了集成了3轴螺旋仪传感器和3轴加速度计传感器的MPU6050，测得飞行器在飞行过程中倾斜角的变化，对于飞行姿态的测量较快，从而加以控制到稳定。无刷电机不会出现点火花，电火花的出现将会使其误差增大，因此我们采用PB2212 KV920 外转子无刷电机。电机驱动模块则是通过输入PWM的占空比信号实现电机的调速及控制

3 炫舞四翼飞行器控制系统的软件设计

炫舞四翼飞行器的软件设系统首先是处理器对各模块进行初始化，然后让其按既定的飞行方案稳定飞行，由于炫舞四翼飞行器是一个欠驱动系统，被控量之间存在耦合关系，软件系统设计必须要利用4个输入被控量来控制6个输出量。主体函数首先对各种结构进行了相应的初始化；然后将其检测到的飞行姿态数据通过处理得到稳定的数据输入主控，主控通过命令控制电机转速的增大或者减小实现预想飞行。

4 调试及存在的问题

将各部分测试没问题的代码进行联调，通过ST-LINK V2 ST下载到STM32主控板上进行测试，如图4所示。结果发现飞行器的姿态的不好控制，整个系统还有待进一步改善。

参考文献

[1]刘杰.四轴飞行器研究与设计[D].南京邮电大学，2013.

[2]杨维，周冰倩，吴志刚，程亮，杨敏.炫舞四翼飞行器的设计与仿真分析[J].计算机光盘软件与应用，2014（16）：265-266.

[3]赵铭明，谢叶，李梦柯，陈通，蒋丽红.基于DSP的四旋翼无人飞行器控制系统[J].电子世界，2014（16）.

作者单位

铜仁学院大数据学院 贵州省铜仁市 554300endprint