陳花衛(wèi)

隨著科技研發(fā)的迅速發(fā)展，對于微型四翼飛行器研制的技術(shù)門檻和硬件成本已經(jīng)大幅度降低，現(xiàn)如今不管是國內(nèi)還是國外的各大科研單位和高校的四翼飛行器愛好者都已經(jīng)投入對四翼飛行器的研制當中。本文主要對炫舞四翼飛行器控制系統(tǒng)進行了研究設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】四元法 MPU6050 PWM PID控制算法

1 炫舞四翼飛行器的結(jié)構(gòu)及控制原理

炫舞四翼飛行器的飛行控制系統(tǒng)主要由：驅(qū)動電機、被控對象（機體）、飛行控制器、傳感器裝置等組成；如圖1所示；傳感器就是將炫舞四翼上電機裝置中的三軸角速度速率以及三軸加速度速率的各種信息；如傾斜角、俯仰角、偏航角等；傳感器將其物理然后飛行控制其將處理的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)定飛行信息進行處理及計算，最后通過PWM占空比來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速控制炫舞四翼的飛行狀態(tài)。

炫舞四翼飛行器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，電機 m1和電機m3為一組， m2與 m4為另一組，這兩組電機為四旋翼提供飛行的動力；其為對稱的十字形模型，我們只要控制這兩對電機的旋轉(zhuǎn)方向不同，轉(zhuǎn)速相同；這樣電機帶動旋翼生成的扭矩力之間就會因為大小相等，方向互反，從而作用效果相互抵消；通過旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力的作用下做各種運動，為滿足相應(yīng)的運動的變化，使升力在相應(yīng)方向上產(chǎn)生分力，炫舞四翼飛行器在此力的作用下，按其方向飛行。炫舞四翼飛行器只有4個輸入，卻有6個輸出，所以說它是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)；因此我們需要一個6對4的調(diào)節(jié)，所以在后期選擇電機的時候選了MPU6050，它集成了三軸加速度計與三軸陀螺儀，這樣對于我們的測量和控制得以很大的幫助；相對直升機而言，炫舞四翼飛行器不需要舵機抵消反扭矩力，這也是它運動控制上的一大優(yōu)點。

2 炫舞四翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

炫舞四翼飛行器控制系統(tǒng)主要包括：MCU最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、飛行姿態(tài)檢測模塊、驅(qū)動電機模塊、遙控發(fā)送接收模塊5大模塊，如圖3所示。其中MCU最小系統(tǒng)模塊主要采用ARM Cortex?-M3內(nèi)核低功耗的STM32F103RCT6作為主控芯片，STM32F103RCT6是一款32位的單片機，支持各種存儲設(shè)備，F(xiàn)lash是256k，擁有各種時鐘電路、定時器、看門狗等等；由于炫舞四翼飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，電機調(diào)速這塊必須選一個4個輸入，6個輸出的裝置，于是選擇了集成了3軸螺旋儀傳感器和3軸加速度計傳感器的MPU6050，測得飛行器在飛行過程中傾斜角的變化，對于飛行姿態(tài)的測量較快，從而加以控制到穩(wěn)定。無刷電機不會出現(xiàn)點火花，電火花的出現(xiàn)將會使其誤差增大，因此我們采用PB2212 KV920 外轉(zhuǎn)子無刷電機。電機驅(qū)動模塊則是通過輸入PWM的占空比信號實現(xiàn)電機的調(diào)速及控制

3 炫舞四翼飛行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

炫舞四翼飛行器的軟件設(shè)系統(tǒng)首先是處理器對各模塊進行初始化，然后讓其按既定的飛行方案穩(wěn)定飛行，由于炫舞四翼飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，被控量之間存在耦合關(guān)系，軟件系統(tǒng)設(shè)計必須要利用4個輸入被控量來控制6個輸出量。主體函數(shù)首先對各種結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的初始化；然后將其檢測到的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)通過處理得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸入主控，主控通過命令控制電機轉(zhuǎn)速的增大或者減小實現(xiàn)預(yù)想飛行。

4 調(diào)試及存在的問題

將各部分測試沒問題的代碼進行聯(lián)調(diào)，通過ST-LINK V2 ST下載到STM32主控板上進行測試，如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行器的姿態(tài)的不好控制，整個系統(tǒng)還有待進一步改善。

參考文獻

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[3]趙銘明，謝葉，李夢柯，陳通，蔣麗紅.基于DSP的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)[J].電子世界，2014（16）.

作者單位

銅仁學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院 貴州省銅仁市 554300endprint