基于多传感器的四旋翼飞行器硬件电路设计

张轶

摘要：四旋翼飞行器机体结构简单，姿态控制复杂，近年来被广泛應用于民用以及军事领域。需要通过搭建四旋翼飞行器飞行控制平台的方式，稳定控制无人飞行器的飞行姿态。基于这一背景，本文尝试对基于多传感器装置的四旋翼飞行器硬件电路设计问题进行分析与探讨，在对总体结构设计方案进行分析的基础之上，分别研究电源模块以及多传感器模块的设计要点，以此种方式整合相关功能模块，实现基于多传感器的四旋翼飞行器控制系统硬件电路设计。在此基础之上，通过仿真实验证明：在多传感器四旋翼飞行器硬件电路系统中，可以引入卡尔曼滤波算法融合四旋翼飞行器相关姿态参数，通过多传感器配置的方式弥补传统硬件电路方案局限性，促进控制精度的提升，这为后续有关四旋翼飞行器稳定控制问题的研究提供了重要参考与依据，希望能够引起业内人士的关注与重视。

关键词：四旋翼飞行器;多传感器;硬件电路;设计

在信号处理技术、传感器装置技术以及微电子技术快速发展的背景下，四旋翼无人飞行器相关控制算法及其在工程实践中的应用不断优化与创新，有关该课题的研究成为业内人士高度关注的一项课题。新一代四旋翼飞行器系统航点跟踪完全可靠自主，同时还具备多飞行器协同飞行的能力。从系统设计的角度上来说，四旋翼无人飞行器兼具耦合性强、多变量以及非线性的特征，欠驱动系统控制需要搭载调节无刷电机转速的方式实现，而对无刷电机转速的调节需要通过引入无刷电调系统的方式实现。但在四旋翼无人飞行器实际应用中，飞行状态下受零漂、温漂、机体震动以及外部环境条件等一系列因素影响，导致飞行高度的维持存在较大难度，位置姿态估计也面临着一定挑战。考虑到该问题，有研究人员尝试在的四旋翼的飞行器硬件电路设计中引入加速度传感器以及陀螺仪装置，通过多传感器配置的方式弥补传统硬件电路方案局限性，促进控制精度的提升。

1 总体结构设计

四旋翼飞行器旋翼以对称方式安装于支架顶端，相邻位置旋翼呈反向旋转方向，对角线上旋翼程相同旋转方向，以不同旋转方向的配合确保飞行系统在飞行模式下达到扭矩平衡的状态。对于四旋翼飞行器而言，其所对应旋转切角呈固定状态，六自由度飞行姿态的控制需要通过调节单个电机转速的方式实现，而飞行模式下四旋翼飞行器的偏航运动则需要通过对顺时针旋转电机以及逆时针旋转电机相对速率进行调节的方式实现。结合以上分析，从四旋翼飞行器总体结构的角度上来说，硬件系统以飞控板为核心，同时配置遥控模块、电源模块以及动力设备模块。有关研究人员给出了搭载核心芯片的多传感器四旋翼飞行器飞行控制系统总体结构。整个四旋翼飞行器硬件系统采用锂电池供电，无刷电调系统以及飞控板依托于I?C总线数据传输的方式对电机转速进行灵活调节。同时，通过PPM解码板实现2.4MHz控制信号在飞控板中的数据传输。在此基础之上，以多传感器配置为依托，四旋翼飞行器飞行模式下的高度检测可依托于大气压力传感器装置实现，加速度计与陀螺仪配合应用则可实现对四旋翼飞行器飞行模式下的姿态解算。

2 电源模块

基于多传感器装置的四旋翼飞行器硬件系统供电功能通过锂电池实现，持续放电倍率为30C，对应工作参数为11.1V，2200MAh，通过设计稳压电路的方式面向四旋翼飞行器硬件系统中不同电路提供供电支持，保证各个模块工作状态的正常与稳定。为确保四旋翼飞行器飞控系统运行的安全稳定，控制系统需要5.0V以及3.0V两种电平供电。在硬件电路电源模块实际运行的过程当中，锂电池面向四旋翼飞行器硬件系统提供11.1V单位电压，在经7805稳压芯片处理后转换为5.0V电压，其中一部分直接面向飞控板提供电能支持，另一部分则向预留外部接口提供电压支持。7805稳压芯片对锂电池提供电压进行转换，所输出5.0V电压继续经稳压芯片处理，转换至3.0V电压输出，此环节中对稳压芯片的选型为MCP1700T，所输出转换3.0V电压其咋哄一部分直接面向四旋翼飞行器硬件系统数字电路提供电能支持，另一部分则面向模拟电路提供电能支持。除此以外，在四旋翼飞行器电源模块中，为最大限度预防电压抖动以及滤波因素对电压供给及其转换稳定性产生不良影响，选择330uF/25V电解电容器装置、贴片电容器装置、以及10uF/16V电容器装置并联使用的设计方案。

3 多传感器控制模块

在四旋翼飞行器飞行模式下，为通过硬件电路控制系统实现对其飞行姿态的灵活控制，就需要将多个类型的传感器装置加入控制系统中，如通过陀螺仪与加速度传感器装置相配合的方式，支持对四旋翼飞行器飞行模式下角速度以及三轴加速度的测量，同时还可依托于大气压力传感器装置对四旋翼飞行器起始位置气压水平以及稳定分析高度下气压水平进行测量，以气压差为参考指标控制飞行考度，从而支持四旋翼飞行器自主导航功能的实现。

在基于多传感器装置的四旋翼飞行器硬件系统设计中，选用MPX4250A为大气压力传感器装置，对于集成传感器芯片而言，除具备压阻式压力传感器装置意外，还配置有专门独立运行的薄膜电阻网络，以此种方式发挥传感器装置相对于四旋翼飞行器的温度补偿作用。正常运行状态下，四旋翼飞行器硬件系统大气压力传感器装置稳定测压区间为20kPa～250kPa，输出电压稳定区间为0.2V～4.9V，工作温度区间为-40.0℃～125.0℃。按照该思路所配置电路系统中，可以以压力大小为依据，对P1以及P2进行控制，支持结合四旋翼飞行器硬件系统实际运行状态，对P1以及P2放大倍数进行合理选取，以促进采样精度水平的提升。

在加速度传感器装置的选取方面，考虑四旋翼飞行器硬件系统设计对加速度传感器装置有功耗水平低、精度高以及性能高等方面的要求，因此选取LIS344ALH装置实现，该装置可通过模拟输出的方式面向外部电路直接提供测量信号作为支持，检测量程为±2.0g～±0.4g，工作电压取值区间为2.2V～3.6V。在此过程当中，VREF为通过稳压芯片转换为3.0V稳定电压输出。在整个应用电路中，将100uF贴片电容器装置作为解耦电容装置应用。同时，将1.0uF滤波电容应用至输出端，以达到控制系统运行噪声的目的。

还需要特别注意的一点是，在整个四旋翼飞行器硬件系统运行过程当中，单纯依赖于加速度传感器装置无法实现对震动误差的可靠补偿，因此需要将机械性能作为陀螺仪装置选型中非常重要的一项考量因素。本方案中选择ADXRS610陀螺仪传感器，该装置可以搭载单芯片实现完整单轴角速度响应。陀螺仪分别安装于与四旋翼飞行器硬件系统组欧标西垂直的坐标系统，支持三轴轴角速度测量。

4 实验仿真

对于四旋翼飞行器而言，在姿态解算的过程当中，需要借助于陀螺仪传感器装置對角速度进行直接测量。此过程中需要注意的一点是，在积分得到角度的过程当中，伴随时间的不断延长，会导致累计积分误差的产生。积分误差产生的原因是多方面因素共同作用的，一方面是受时间的影响，另一方面则是受四旋翼飞行器自身机械特性的影响，导致零漂、温漂问题的产生。将加速度传感器装置融入陀螺仪传感器装置的使用过程当中，可以以加速度传感器装置为依托，面向陀螺仪传感器装置提供绝对参考系支持，同时实现加速度传感器装置自身良好静态性能与陀螺仪传感器装置良好动态性能的融合，对外部环境条件相对于四旋翼飞行器飞行状态的干扰进行有效抑制，在此基础之上引入卡尔曼滤波算法处理，对降低数据噪声起到了非常重要的帮助。通过对四旋翼飞行器正常飞行状态下，加速度传感器装置采样数据与经卡尔曼滤波处理后数据进行对比可以发现噪声信号呈现出非常显著的下降趋势，但仍然有一定扰动因素存在。同时，在四旋翼飞行器正常飞行状态下，陀螺仪传感器装置对角速度数据进行采集过程中存在较为明显的零漂以及温漂现象。在零漂为0.05°且静态输出电压取值为2.63V的情况下，经卡尔曼滤波处理后波形图显示积分数据呈现出相对平滑的收敛趋势，一方面有效补偿了零漂现象，另一方面还对累积误差进行了有效控制，对温漂产生了非常理想的抑制效果，因此证实在四旋翼飞行器的硬件电路设计过程中，可以通过多传感器配置的方式弥补传统硬件电路方案局限性，促进控制精度的提升，这为后续有关四旋翼飞行器稳定控制问题的研究提供了重要参考与依据。

5 结束语

本文上述相关分析中基于对四旋翼飞行器飞行原理的初步分析，整合包括电源、多传感器在内的相关功能模块，通过对相关传感器装置的合理选型，支持四旋翼飞行器硬件系统设计工作的顺利完成，并搭建适用于四旋翼飞行器的飞行试验平台，通过多次飞行试验验证了硬件系统的可行性以及可靠性，符合预期设计目标。同时，在陀螺仪传感器装置与加速度传感器装置配合使用期间，基于卡尔曼滤波算法合理处理相关参数，通过多传感器配置的方式弥补传统硬件电路方案局限性，促进控制精度的提升，仿真结果同样对该方法的有效性做出了可靠验证。

参考文献

[1]江卫，郑艳，徐梦茗，等. 一种适用于空间飞行器的可重构信息处理平台硬件设计[J]. 通信技术，2014（6）：697-701.

[2]王正杰，郭如军，施洋，等. 基于Xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计[J]. 北京理工大学学报，2007，27（12）：1045-1049.

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