1四旋翼飛行器研究背景

四旋翼飛行器的構(gòu)造與操作簡(jiǎn)單,且便于攜帶,載重量大,因此適用范圍廣。但是,鑒于四旋翼飛行器本身的屬性,非線性系統(tǒng)不夠穩(wěn)定,難以實(shí)現(xiàn)人為直接控制,還需要結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù),穩(wěn)定飛行狀態(tài)。因此,需要確保四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)的有效性,從而保障其飛行性能和操縱能力。

四旋翼飛行器研究日益受到重視,四旋翼無(wú)人飛行器的優(yōu)勢(shì)在于垂直起降、攜帶方便、操作靈活,主要運(yùn)用于影視、消防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本文研究基于STM32的四旋翼無(wú)人飛行器控制理論,硬件系統(tǒng)包括半導(dǎo)體的32位STM32系列微處理器以及傳感器等,結(jié)合仿真系統(tǒng)完成四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2四旋翼飛行器研究方法

飛行器結(jié)構(gòu)形式較直升機(jī)簡(jiǎn)單,沒(méi)有拉桿、較鏈和傳動(dòng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu),通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)而穩(wěn)定飛行狀態(tài)。根據(jù)旋翼數(shù)量可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼、雙層四旋翼,不同數(shù)量的旋翼,其載重能力和抗風(fēng)性能也不同。本文研究的是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的四旋翼飛行器控制飛行系統(tǒng)。

傳統(tǒng)直升機(jī)包括主轉(zhuǎn)子與尾獎(jiǎng)兩部分,螺旋獎(jiǎng)受控制舵機(jī)操控,飛行姿態(tài)與飛行點(diǎn)主要通過(guò)獎(jiǎng)距角的調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)。而多旋翼飛行器的飛行姿態(tài)調(diào)整,則直接通過(guò)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控,調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速與升力。圖1為四旋翼飛行器工作原理,不同電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向有所區(qū)別,相鄰電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同,遵循此規(guī)律,系統(tǒng)設(shè)計(jì)參照?qǐng)D1調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1飛行器電機(jī)布局及飛行方向

為了提高升力,飛行器所有電機(jī)轉(zhuǎn)速更快,從而使飛行形態(tài)向上運(yùn)動(dòng),而且要穩(wěn)定所有電機(jī)推力,飛行器向上運(yùn)動(dòng)的前提在于所有電機(jī)推力之和不低于飛行器本身的重量。飛行器向下運(yùn)動(dòng)則相反,所有電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,電機(jī)推力相對(duì)穩(wěn)定且推力之和不高于飛行器自身重量。關(guān)于俯仰運(yùn)動(dòng)的操作,電機(jī)1和電機(jī)2,電機(jī)3和4電機(jī)分別為兩組,電機(jī)1、電機(jī)2轉(zhuǎn)速減緩,電機(jī)3、電機(jī)4轉(zhuǎn)速提高,飛行器兩端受力不一致,那么電機(jī)1、電機(jī)2一端則下降,電機(jī)3、電機(jī)4一端則仰起,完成俯仰飛行姿態(tài)。橫滾運(yùn)動(dòng)與之原理相同,電機(jī)1、電機(jī)4與電機(jī)2、電機(jī)3分別為兩組,完成左右橫滾運(yùn)動(dòng)。偏航運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn),主要基于角動(dòng)量守恒原理,分為電機(jī)1、電機(jī)3小組和電機(jī)2、電機(jī)4小組,相同小組的電機(jī)分別同時(shí)增加或減小轉(zhuǎn)速,飛行器將以自身重心為基點(diǎn),在空中旋轉(zhuǎn),減速電機(jī)方向即為轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

飛行器前后左右的飛行姿態(tài)實(shí)現(xiàn),則通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)的適度性,根據(jù)所要飛行的方向確定旋轉(zhuǎn)角度,所有電機(jī)推力朝著旋轉(zhuǎn)目標(biāo)方向?qū)崿F(xiàn)分力,確保飛行器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn),四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分為上下、左右、前后、俯仰、橫滾、偏航6種,要根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的有效控制,確保系統(tǒng)控制穩(wěn)定性,人為手動(dòng)操作難度高,因此要加強(qiáng)四旋翼飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。

3四旋翼飛行器控制系統(tǒng)介紹

飛行器控制系統(tǒng)以STM32控制器為基礎(chǔ),系統(tǒng)分為主控制板、遙控器接收模塊、wi-Fi通信模塊、電機(jī)模塊、電源模塊等。

3.1電源模塊

系統(tǒng)完成目標(biāo)動(dòng)作需要有電源支持,要確保四旋翼飛行器工作的相對(duì)穩(wěn)定,作為系統(tǒng)的能源供給,飛行器不同元件需要設(shè)置不同電壓,還要根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)相應(yīng)電路。如電機(jī)運(yùn)行電壓3.7V,主控模塊、傳感器、無(wú)線通信模塊電壓3.3V,需要穩(wěn)定電源模塊性能,確保系統(tǒng)各模塊有充足的電力保障。本設(shè)計(jì)先升壓,然后結(jié)合直流電路完成0.4V的降壓。穩(wěn)定電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式,要科學(xué)設(shè)計(jì)電源模塊,盡可能避免系統(tǒng)出錯(cuò),飛控板電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛控系統(tǒng)操作。電源模塊的設(shè)計(jì)遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)上拉電阻完成驅(qū)動(dòng)力要求。

3.2主控制板

中心控制模塊是整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的核心,其功能在于收集有關(guān)速率并加以計(jì)算,傳感器將檢測(cè)的角速率、加速度、航向等信息傳送到中心控制模塊,控制模塊將信息加以整合,明確控制標(biāo)準(zhǔn),保證輸出控制的有效性,另外及時(shí)對(duì)遙控器控制指示加以回應(yīng)。本設(shè)計(jì)結(jié)合STM32主控制器,及時(shí)進(jìn)行飛行姿態(tài)與控制驗(yàn)算,主控器適用于不同傳感器通信與遙控器信號(hào)處理需要,能夠有效減少設(shè)計(jì)成本,因此其適用范圍廣,能夠有效節(jié)約資源,適用于本設(shè)計(jì)需要。

3.3遙控器接收模塊

電機(jī)實(shí)現(xiàn)四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速控制,主要通過(guò)主控模塊的輸出以及遙控器模塊的接收,而明確執(zhí)行遙控器指示,將其指示信號(hào)轉(zhuǎn)換為PwM形式。然后傳感器輸出,實(shí)現(xiàn)不同旋翼的升力和反扭矩控制,遙控器接收模塊有效保障飛行器的飛行安全性,減少開發(fā)成本,設(shè)計(jì)操作更為簡(jiǎn)便。

3.4Wi-Fi通信模塊

無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)飛行器控制模塊與地面站的連接,結(jié)合無(wú)線通信模式而無(wú)線連接飛行器控制體系,及時(shí)收集飛行器有關(guān)參數(shù)與運(yùn)行姿態(tài),方便地面站根據(jù)需要而調(diào)整控制模塊參數(shù),很好地提升了參數(shù)調(diào)試效率。飛行器地面站主要以PC機(jī)方式,但目前通過(guò)手機(jī)軟件的研發(fā),有效提高了參數(shù)配置調(diào)整的便捷性。wi-Fi通信模塊為四旋翼無(wú)人飛行器和地面遙控通信的紐帶,本設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸距離不超過(guò)100m,根據(jù)1SM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片,實(shí)現(xiàn)飛行器控制模塊與地面站的連接,能夠滿足自動(dòng)應(yīng)答重發(fā)需要,操作相對(duì)簡(jiǎn)單。

3.5電機(jī)模塊

四旋翼無(wú)人飛行器通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向,實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)與飛行位置的調(diào)整控制。較傳統(tǒng)直升機(jī)相比,電機(jī)推力明顯,且重量輕,有效減少器材的磨損,相較于傳統(tǒng)直升機(jī)的既定優(yōu)勢(shì),能夠滿足功率承量標(biāo)準(zhǔn)較高的情況,穩(wěn)定電機(jī)性能,但電機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化相對(duì)復(fù)雜,要結(jié)合專業(yè)電子驅(qū)動(dòng)器加以完成,這就需要結(jié)合電機(jī)調(diào)速器,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化與傳輸?；赟TM32輸出PwM脈沖信號(hào)控制電調(diào),協(xié)調(diào)電機(jī)轉(zhuǎn)速并控制飛行姿態(tài)和飛行位置。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì),為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括4輸入6輸出,四旋翼無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)對(duì)稱,因此俯仰角、橫滾角等控制具有相同屬性。四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)控制,如俯仰、橫滾、偏航、升降,主要結(jié)合4個(gè)輸入量完成。微處理器具有初始化、系統(tǒng)自檢、解算傳感器數(shù)據(jù)、遙控信息解算、執(zhí)行控制算法、計(jì)算并輸出控制量等作用。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)主要基于STM32控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制,有效調(diào)整四旋翼飛行器飛行姿態(tài)與飛行位置,增強(qiáng)控制器屬性,單片機(jī)集成外設(shè)資源較多,不需要其他電路設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制模塊與地面站的有效聯(lián)系,從而確保參數(shù)記錄與參數(shù)配置調(diào)整更加便捷。