四旋翼自主飞行器系统

【摘 要】四旋翼飞行器是一种外形新颖，性能优越的垂直起降飞行器，具有结构简单、操作灵活等特点，在灾区救援，军事运输上有重要价值，越来越被人们所关注。本系统利用R5F100LEA单片机作为主控芯片，配合MPU6050陀螺仪控制控制飞行器姿态，使其能稳定悬停.同时采用摄像头循黑线并检测黑圆区域确定着陆位置，而超声波测距模块也保证了飞行器处于指定的高度。

【关键词】四旋；飞行器；飞行姿态；控制

1.系统方案论证与比较

方案一：利用R5F100LEA单片机配合MPU6050陀螺仪控制控制飞行器姿态，使其能稳定悬停，同时采用摄像头循黑线到达目的地。

方案二：通过MPU6050控制飞行器姿态，采用GPS定位，引导飞行器到达预定位置。

方案三：利用R5F100LEA单片机配合MPU6050陀螺仪控制控制飞行器姿态，使飞行器稳定悬浮且无自转，然后通过软件调试飞行器走直线并通过延时程序控制飞行器降落。

方案一采用摄像头循黑线，程序设计较复杂，但可行性高，且具有一定抗干扰能力；方案二中GPS信号受环境影响，定位精度差；方案三软件调试任务大，且不具抗干扰能力，可行性差。综合考虑，采用方案一。

2.方案设计

四旋翼飞行器结构形式如图1所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

图1 飞行器运动控制

3.电路与程序设计

3.1单元模块

3.1.1飞行路线控制模块

方案一：利用摄像头对地面信息进行采样，采集黑线信息，通过摄像头使单片机控制飞行器循黑线行进。优点是精度高，实时性强；缺点是控制较为复杂。

方案二：采用GPS定位系统确定起飞点A和着陆点B，引导飞行器从起飞点A任意路径到达着陆点B。优点是稳定性高，缺点是室内GPS定位精度低。

方案三：采用电子罗盘HMC5883，实时调整飞行方向，使飞行器沿直线行进。优点是精度高，实时性强；缺点是只能控制飞行器直线飞行，无法检测着陆点B，性价比低。

经比较，方案一可行性好，性价比高，采用方案一。

3.1.2飞行姿态控制模块

方案一：在每个飞行器轴上安装一个倾角传感器，通过四个倾斜角配合PID算法时单片机能控制飞行器平衡。优点是数据精度高，采集稳定；缺点是性价比低。

方案二：采用一个MPU6050陀螺仪采集三维空间的飞行器倾斜角，加速度，角速度，在配合相应PID算法，控制飞行器平衡。优点是数据采集快，数据全面；缺点是控制复杂。

处行器载重和性价比考虑，选择方案二。

3.1.3投拾铁片模块

方案一：利用磁铁对铁有较强吸力的特性来拾取贴片，同时在铁片和磁铁之间用一层挡板隔开，并且挡板的一边连接在一个电机转轴上。投掷贴片时转动电机，电机带动挡板旋转，挡板则带动铁片远离磁铁有效磁力范围，使铁片掉落。优点：可靠性强，稳定；缺点：电机和磁铁重量大。

方案二：采用电磁铁，在拾取铁片时给电磁铁通电，产生磁性吸引铁片，投放时，关断电磁铁电流，磁力消失，铁片掉落。优点：控制方便，可靠性高，重量轻；缺点：需要强磁力时，功耗大，重量大。低磁力时，铁片吸附不紧易脱落。

综合考虑，选方案二。

3.1.4电机选择模块

方案一：采用四个直流电机做螺旋桨的动力部分。优点：价格便宜；缺点：转速低，提供升力小。

方案二：采用四个无刷直流电机做螺旋桨的动力部分。优点：转速快，提供升力大，控制精确，性价比高；缺点：价格高，需专用驱动模块。

由行器有一定载重能力，需要较大升力，所以选用方案一。

3.1.5飞行高度检测模块

方案一：利用激光测距传感器测量飞行器飞行高度。优点：精度高，抗干扰能力强；缺点：性价比低，体积和重量大。

方案二：利用超声波测距传感器测量飞行器飞行高度。优点：性价比高，抗干扰能力强。

经比较，超声波传感器在精度上已经能很好的满足系统需求，且重量和体积较小，所以选择方案二。

3.2系统原理框图

根据以上分析，系统原理如下图2所示：

图2 系统整体框图

3.3单元模块电路

飞行器驱动电路如下图3所示：

图3 飞行器驱动电路

电池12V输出转5V为单片机供电如下图4所示：

图4 12V转5V电路图

4.程序设计

微小型四旋翼飞行器是一个具有六自由度（位置与姿态）和4个控制输入（旋翼转速）的欠驱动系统。姿态控制是整个飞行控制的关键，因为四旋翼飞行器的姿态与位置存在直接耦合关系（俯仰/横滚直接引起机体向前后/左右移动），如果能精确控制飞行器姿态，则采用PID控制律就足以实现其位置与速度控制。

图5 程序流程图

5.测试方案与测试结果

5.1测试方法

a.一键式起飞，记录飞行器由A区到达B区的时间t1。

b.一键式起飞，记录飞行器由B区到达A区的时间t2。

c.一键式起飞，飞行器拾取铁片，从示高线上方由A区飞到B区上空投放铁片，并返回A区降落.记录这段飞行的时间t3（最多允许测试两次）。

5.2测试结果

以上测试结果如下表1所示：

表1 测试结果

5.3测试结果分析

飞行器能较好的完成由A区到B区，或者B区到A区，拾取/投放铁片等动作，且飞行速度快。但由行器处于动态平衡，会在小范围内颤动，导致铁片在空中投掷后落点无法准确控制。 [科]

【参考文献】

[1]清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京：北京理工大学出版社，2003.

[3]李俊.四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J].辽宁：辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，31（1）：114-117.

[4]岳基隆.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J]北京：电光与控制，2010，17（10）：46-52.

[5]杨明志.四旋翼微型飞行器控制系统设计[J].北京：计算机测量与控制，2008，16（4）：485-490.