四轴飞行器的研究与设计

2015-07-27 05:23高学彬蔡建羡防灾科技学院防灾仪器系北京101601

山东工业技术 2015年13期

田博,高学彬,宁鹏,蔡建羡（防灾科技学院防灾仪器系,北京 101601）

四轴飞行器的研究与设计

田博,高学彬,宁鹏,蔡建羡
（防灾科技学院防灾仪器系,北京 101601）

摘要：设计了一种基于ARM单片机控制的四轴飞行器，飞控系统发送信号给位于各轴的无刷电子调速器，电子调速器驱动直流无刷电机转动，通过控制各个电机的转动速度来调节飞行姿态，通过这样的控制机制，大大的减轻了机身的重量，增强了其实用性和拓展性。

关键词：控制系统结构；运动控制系统；运动执行模块

1　引言

四轴飞行器由于其稳定的结构可以在各种复杂的环境中飞行，因性能更加的稳定，优势逐渐突出，已经在许多领域非常广泛的应用前景，我们所设计的四旋翼飞行器以ARM为核心，搭建飞行器硬件平台，并基于此平台，实现四旋翼飞行器的姿态控制。，完成了系统的主控模块、传感器模块、执行模块的硬件选型及电路设计。

本设计是一种十字交叉四旋翼结构，由四个电机驱动的、可垂直起降的，多旋翼式遥控自主飞行器。与传统的无人飞行器相比，四旋翼飞行器具有机动性强，体积小，可以快速改变姿态。

2　控制系统结构

2.1 设计思想

四旋翼飞行器通过调节电机的转速来改变四个旋翼的升力，从而控制四旋翼飞行器的飞行姿态。并针对四旋翼飞行器，采用了一种基于四元数法和卡尔曼滤波的姿态控制算法，然后通过分析卡尔曼滤波处理的姿态数据和未经处理的姿态数据进行了测试，实验验证了硬件和软件的功能和可行性，实现了对四旋翼飞行器自动驾驶仪姿态和航向的准确测量。通过对四旋翼飞行器自动驾驶仪平台的设计和研究，提高了四旋翼飞行器系统的可靠性，降低四旋翼飞行器的设计成本。

2.2 运动控制系统

根据四轴飞行器的特点，我们采用主从控制设计出了整个控制系统，如图2所示，运动控制系统是四旋翼飞行器最关键的部分，开发的运动控制系统由姿态解算模块、导航模块、运动执行模块组成。姿态解算模块和导航模块均由高性能飞行控制器实现，姿态解算模块能够实现姿态解算得出四旋翼飞行器的姿态信息并通过导航模块得到四旋翼飞行器所在位置信息以作为导航的参考，最后将收到的命令和现有的信息联合处理得到目标姿态并输送给运动执行模块，运动执行模块由直流无刷电机电子调速器实现。

（1）姿态解算模块:姿态解算是四旋翼飞行器平台上最基础的部分，由ARM处理器完成，他的目的在于将控制板上的10轴传感器的数据经过滤波融合最终估计出四旋翼飞行器的姿态向量。采用的硬件是6轴传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计以及三轴磁阻传感器，由该模块处理后得到的信息包括飞行器的速度、位移、航向角等。

（2）导航模块:导航功能由北斗导航系统和数字气压传感器构成，北斗导航系统优势：

第一是北斗系统有斜轨道卫星，在遮挡物复杂的地形、地表的定位信号更强、精度更高；

第二是北斗系统支持短报文传讯功能，终端设备不仅能接受到北斗的定位信号，还能发送终端讯息到卫星或者到调控中心。

四旋翼飞行器所采用的北斗导航系统的支持下，可以实现点到点的规划路径移动，实现较强的导航功能。

（3）运动执行模块:运动执行模块由四旋翼飞行控制器和直流无刷电机电子调速器以及直流无刷电机。直流无刷电机电子调速器控制器，四旋翼四个臂的均由一个单独的电调控制电机的转速，控制信号由四旋翼飞行器的主控板通过算法计算得出并通过I2C协议传给各个电调的控制芯片，设计的执行机构采用直流无刷电机，舵机是一种典型的机电一体化产品，可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速，适用于那些需要大力矩高功率的动力系统。

2.3 遥控系统

遥控系统由协议开源的遥控手柄和四旋翼飞行器上的无线模块构成，在此基础上加上PA和LNA以扩大无线发送的功率从而增大通讯距离，采用双模模式运行。遥控器有两个摇杆通过模数转换获得键位的位置，以及两个按键扩充功能，整合后通过通信协议发送一帧数据包括所有的键位信息，四旋翼飞行器也通过无线模块将自身的各项信息指标发往遥控器上，显示在液晶屏中，例如电量、姿态、转速、飞行高度等。

2.4 电源系统

电源是四旋翼飞行器的动力来源，它为四旋翼飞行器提供传输、控制和运动等任何行为的所有能源。电源系统主要包括：电池，电源监控模块，电压分配模块等，

四旋翼飞行器上电后。电机调速器开始测量电压，若电压过低则电机会发出报警的声音然后自动停转，若电压正常则驱动电机开始保持低速旋转并等待下一步指令。等待四旋翼飞行器送出的I2C协议的数据驱动电机。