四旋翼飞行器多传感器硬件的电路设计

摘 要：随着我国经济建设的深入发展，各行各业的科技水平均获得了明显的提升，能源、微电子等技术的应用，为科学的进一步发展创造了良好的条件。四旋翼飞行器有着优良的飞行安全保障，其明显的优势性能已经在当前获得了相关领域和学术界的广泛关注。为了更好地满足四旋翼飞行器的应用要求，和实现对四旋翼飞行器的控制平台和硬件电路的设计，就要对四旋翼飞行器的飞行原理和结构特点进行深入的分析，提出优化性建议，采用多传感器技术对四旋翼飞行器硬件的电路设计进行研究，以便为四旋翼飞行器的进一步研发提供一些参考。

关键词：四旋翼飞行器；多传感器；电路设计；硬件

中图分类号：V249.1

近些年来，诸多新技术促进了多个行业的先进技术的进一步发展，新能源、微电子技术、传感器技术、微惯导技术和飞行控制技术的全面发展和应用，促使四旋翼飞行器的技术与结构获得了极大的改善，并且动力性能也得到了一定的优化。四旋翼飞行器的多传感器也因此被赋予了更多的关注，对其的控制方法也有了明显的突破性研究进展。四旋翼飞行器拥有多个传感器硬件设备和多个直流电机，驱动系统是一个高阶非线性、多变量、强耦合的欠驱动系统，对飞行姿态和飞行的控制就相应提高了要求，因此，对四旋翼飞行器多传感器硬件的电路设计做深入的研究，是进一步保障四旋翼飞行器安全飞行的必要之举。

1 四旋翼飞行器概述

四旋翼飞行器，是一个具有四个螺旋桨的飞行器，与传统的直升机相比，它的特点是机械机构相对简单、螺旋桨体积更小、飞行的安全保障系数更高、智能控制算法比较先进。四旋翼飞行器的四个螺旋桨也呈交叉结构，相对的四个旋翼共有两组，四旋翼旋转方向相同，两组的旋转方向不同，四旋翼飞行器只能够通过改变螺旋桨的旋转速度来完成各种动作。四旋翼飞行器实质上就是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合准静态或静态条件下进行起飞，但是四旋翼飞行器有四个输入力、却同时存在六个输出，因此是一种欠驱动系统[1]。所谓的欠驱动系统指的是输入少、输出多的系统。一般来讲，旋翼式直升机的螺旋桨能够实现倾角变化，而四旋翼飞行器前后和左右两组螺旋桨的转动方向却相反，螺旋桨转动的速度能够改变升力，进而能够改变四旋翼飞行器的飞行状态和飞行位置。

2 四旋翼飞行器的飞行原理和结构特点

四旋翼飞行器的四个螺旋桨呈交叉结构，交叉的螺旋桨呈两条正方形对角线状，安装在四个桨臂末端顶点的螺旋桨分别由电机相连接，处在一条对角线上的两个螺旋桨有着相同的旋转方向，这样的结构才能保持整个系统扭矩的平衡。所以改变螺旋桨的旋转速度，才能使四旋翼飞行器在其惯性参考坐标系中产生六自由度的运动，其中包括了三个沿着坐标轴方向的线性运动，如飞行器的起飞和降落、左右侧飞和前进后退，也包括了三个坐标轴方向的角运动如俯仰、横滚和偏航，并能够在小范围的区域进行垂直起飞和降落，维持稳定的盘旋和使飞行器能够准确向目标飞行。

查阅文献可知，哈工大工程训练中心自主创新的实验室在2007年就展开了对四旋翼飞行器的相关技术研究。曾经研制出的四旋翼飞行器原型机样由产生上升力的四个旋翼和四个旋翼所处的机身架构组成，内部有着控制板[2]。在这个结构中，旋翼上又包括着四个直流无刷驱动电机、连接元件和螺旋桨桨叶等，机身由两根铝合金十字交叉制成，于当时通过实验证明了其在飞行中，能够实现多种飞行姿态。目前的四旋翼飞行器的硬件结构是以微控制系统作为飞行器核心，包含了传感器系统、无线通信系统和无刷电机系统。传感器系统中包含了陀螺仪、电子罗盘和加速度计；无刷电机系统中包含电机驱动及控制系统和无刷电机；无线通信系统基于遥控技术和PPM接收机、OpenGL强大的三维图形功能和Visual C系统模块。

3 四旋翼飞行器多传感器硬件的电路设计

四旋翼飞行器的传感器包括陀螺仪、电子罗盘和加速度计。其中，陀螺仪是飞行器控制系统的核心元件，它的芯片采用的是ENC系列产品，ENC系列产品是日本村田公司所生产。陀螺仪的单轴角速度传感器用的是ENC-03M，它是目前较为先进的一种技术应用，能够稳定的测出角加速度的值，但也存在一定的不足，比如漂移现象较为严重，无法独立完成准确的角度值测量，需要其他的硬件和软件的通力配合来完成。数据的处理需要在一定的时间范围内运用累加式的积分运算方式计算得出。

电子罗盘的作用是为了解决四旋翼飞行器的横向漂移和自旋的问题，对其电路设计也有着重要的作用，但是对电子罗盘电路设计的成本需要纳入到考虑的范围内，目前的电子罗盘主要采用HMC1052，这是一种双轴线性磁传感器，并且每个传感器上面都有着一个惠斯通桥，惠斯通桥由磁阻薄膜合金所组成，一旦在桥路上施加供电电压，则传感器就能够将磁场强度转化为电压，电压由此输出，这其中的磁场包括了环境磁场和测量磁场。

加速度计目前多数采用MMA7260，MMA7260由美国的Freescale公司推出，是一种单芯片三轴的加速度计，具有低成本的特点。这种微型的电容式加速度计有着一定的优势，它融合了单级低通滤波器、信号调理和温度补偿技术，同时能够提供四种加速度测量范围，包括±1.5、±2、±4、±6。一般情况下，加速度计应用的工作电压为2.2-3.6V，稳压器采用AMS1117，将5V电压转化为3.3V，通过稳定的电压为传感器供电。采集数据通过数据验证公式X=Gsin a对该加速度计模型的正确性[3]。

在进行上述电路设计时，还要进行数据的采集，数据的采集一般采用12位高速芯片来采集模拟信号，芯片一般为AD高速芯片TLV2543，AD的电压参考均以外部+3.0V电压为准，参考源芯片采用PAM3101芯片。TLV2543芯片的最高转速可达66kSPS，能够实现通过编程予以断电，MSB/LSB可优先选择，其中置有自检测模式和11信道。这种方式能够满足各种环境的模数转换任务，数据之间的通信则采用SPI接口来进行。采集之后各个数据的处理关系基于陀螺仪积分出来的角度值得出，陀螺仪积分出来的角度值=加速度计反正弦转换后的值×ACC-GYRO，ACC-GYRO为转换系数。最后在Matlab的环境下将数据输入工作空间，通过M函数进行编程，以达到数据的线性拟合，通过函数曲线变化的趋势来验证加速度计的采样数据即X=Gsin a的正确性。

4 结束语

综上所述，四旋翼飞行器随着科学技术的发展已经被赋予了更多的关注，只有深入研究其电路原理，才能保证其飞行的安全。本文对四旋翼飞行器飞行原理和结构做了简要概述，并初步分析了四旋翼飞行器多传感器硬件的电路设计，旨在为相关进一步的深层次研究提供参考。

参考文献：

[1]吴延荣，王克河，王桂娟，基于MMA7260Q的数字倾角传感器设计[J].微计算机信息，2011（26）：113-114.

[2]胡从坤，余泽宇，陈曦晨.四旋翼飞行器控制系统研究[J].科技广场，2014（06）：51-56.

[3]肖霞，吴向荣.航天外协外购产品质量控制的探索与实践[A].第三届中国质量学术论坛文集[C]，2012（01）：12-15.

作者单位：厦门理工学院，福建厦门 361024