四轴飞行器的设计

摘 要：随着电子技术的快速发展，四轴飞行器被越来越多的人们喜欢和使用，特别是用于航拍和军事领域，在不久的将来必然也会应用于越来越多的其他领域。文章设计一款基于STM32F103C8T6为主控系统的小型四轴飞行器，采用keil5为软件开发环境，用MPU6050芯片进行姿态采集，根据采集到的数据进行姿态分析，进而控制其稳定飞行。

关键词：四轴飞行器；单片机；PID

1 无人机的发展历史及意义

无人飞行器是指具有动力装置，而不要求有专业操纵人员的飞行器。它利用螺旋桨通过转动形成向地面的气流来抵消机身的质量，可实现独立飞行或者远程控制飞行。相对于固定翼无人机，旋翼无人飞行器的发展就较为缓慢，这是因为旋翼无人飞行器的控制系统较为复杂，早期的技术不能满足飞行要求。然而旋翼机具备所有飞机和固定翼无人机的优点，其成本低，结构简单，无大机翼的限制，具有自主起飞及下降功能，事故代价低等特点。四轴飞行器是多旋翼飞行器中结构最简单的一种，由于其应用前景广泛，很快就吸引了众多研究者的注意，特别是以美国等西方国家为主的大学在无人机的控制算法研究以及导航等方面取得了不少成果。在我国，北京理工大学在基于PID控制算法，姿B控制方面也取得一定的成果。国防科技大学从2004年开始对四轴飞行器相关技术展开研究，并自主设计了四轴飞行器的原型样机。但四轴飞行器真正的进入公众视野却是2012年2月，美国宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授在TED上做出四旋翼飞行器里程碑式的演讲[2]。

2 四轴飞行器的动力分析

2.1 四轴飞行器的飞行模式

四轴飞行器的飞行模式主要包括十字模式和X字模式两种，如图1所示。

十字模式下的飞行方向与其中一个电机的安装方向一致，而X模式下的四轴飞行器前进方向指向两个电机中间。由于十字模式可以直接明了的分清四个电机在四轴飞行器飞行过程的作用，所以操纵简单，但动作灵活性差。X模式飞行模式复杂，但动作灵活。本次课题的四旋翼飞行器设计采用X模式。

2.2 四轴飞行器的动力学分析

四轴飞行器的动力来自机翼上的四个电机，带动螺旋桨来提供空气动力，和普通风扇一样，螺旋桨在旋转时会通过自身的流线型结构使空气推向前方或后方（和将的旋转方向有关）。而对于四轴飞行器而言，四个螺旋桨都需要将空气推向下方，进而产生向上的推进力。对于空气桨，当电动机在空中停车后，螺旋桨绘像风车一样继续沿着原方向旋转，这种现象成为螺旋桨的自旋[3]。通过对桨的受力分析可知，如果某一只螺旋桨是顺时钟旋转，则该桨会对机身产生一个逆时针的反作用力，使得机身向逆时钟方向旋转。如果我们使用四个一模一样的桨，要使桨螺旋桨空气推向下方，那么四个电机的转向相同，电机带动螺旋桨产生的旋转力矩就会朝着同一个方向，四轴则开始疯狂旋转。因此，为了抵消螺旋桨的自旋，应该使四轴飞行器相邻的一对桨转向相反，让这一对桨产生的反作用力互相抵消。

四轴飞行器本身是的欠驱动系统。当4个电机所产生的转速相等且升力等于四轴飞行器本身重量时，四轴飞行器将会处于悬停状态。当飞行器处于悬停状态时，可以有留个6个方向的自由度组合，即俯仰（前后运动）、横滚（左右运动）、升降（上下运动）。

3 四轴飞行器的硬件设计

本文中，四轴飞行器的整个控制系统主要包括电源模块，控制模块，电机驱动模块，传感器模块和通讯模块，如图2所示。

电源模块主要提供给多个模块供电，提供的电压主要分为三种3.3V，5V，3.4V-4.2V。其中3.3V主要是给控制器和姿态传感器供电；5V主要是给通讯模块供电，3.4V-4.2V（电池直接输出）主要是给电机供电。

其中通讯部分主要是来自遥控器的四个通道信号。分别俯仰，横滚，自旋和油门的指令；传感器模块作为飞行器的姿态检测部分，将检测到的角速度和角加速度信号通过控制器转化成角度，用角度信号作为当前飞行器的姿态，与遥控部分的信号比较行程所需的闭环控制。

主控制器则处理通讯接收的遥控信号和传感器采集的姿态信号，对数据分析后进行融合处理，最终通过PID算法得出电机的控制值，其值最终以PWM的方式输出来驱动电机。

4 四轴飞行器的软件设计

控制系统软件采用C语言编写，对于STM32系列微处理器，ST公司提供了强大的库函数功能，使得整个软件系统的设计可以更多的注重算法和软件架构上。四轴飞行器的硬件系统和软件系统的最终设计都是为控制电机转速来服务的，所以控制电机转速的PWM波是软件系统的最终输出。

软件系统的主要功能有接收遥控器数据并进行解析，读取姿态传感器中角速度和加速度的数据并进行数据融合，串级PID算法结合从遥控收到解析后的目标角度和数据融合后的当前角度得出控制电机所需的PWM波。

4.1 姿态解算实现

姿态解算是飞行器能否正常控制的核心，其主要作用是从遥控器得到的目标的姿态（欧拉角）与从姿态传感器得到的角速度和加速度通过互补滤波和四元数算法转化为实际欧拉角，目标值与实际进行运算的最终结果提供给PID控制器，最终得到电机PWM的输出值，其解算步骤如图3所示。

4.2 PID控制算法

四轴飞行器的控制算法采用采用PID控制器作为系统的控制算法。PID控制器原理简单，具有鲁棒性好、适用范围广，参数易调节等特点。PID控制算法在自动化控制领域中有者广泛的应用，其原理如图4所示。

比例控制：能迅速反应误差，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，从而减小误差，但是比例控制不能消除稳态误差Kp的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制：主要用于消除静差，提高系统的无差度。只要系统存在误差，积分控制器就不断的进行积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至系统出现震荡。

微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，同时可以减小超调量，克制震荡，从而提高系统性能。

因为四轴飞行器的动力系统是一个非线性的控制系统，采用传统的PID算法不但参数调制麻烦，而且控制起来比较难。所以本设计系统采用的是串级的PID控制，即将第一级的输出作为第二级的输入。外环采角度环，内环采用角速度环，采用串级的PID算法可以很好的控制整个系统的稳定。

5 结束语

本文主要针对四旋翼的动力学分析、硬件的各模块需求分析与选择、以及软件整体框架及核心的算法的解读与分析。其中硬件设计中，各模块的选型和电路设计以及板子外形的是最容易出错的。

参考文献

[1]刘杰.四轴飞行器的设计与研究[D].南京：南京邮电大学，2013.

[2]夏纯.基于单片机的四轴飞行器[D].长春：吉林建筑大学，2015.

[3]龙小辉.PA44-180飞机调速器维修技术研究及信息管理系统开发

[D].成都：电子科技大学，2010.

作者简介：王笑笑（1995，05-），女，陕西汉中人，学历：本科，咸阳师范学院物理与电子工程学院电子信息科学与技术专业2014级，研究方向：智能控制。