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四軸飛行器方案開(kāi)發(fā)
四軸飛行器最早進(jìn)入尋常百姓的視野，可能是因?yàn)橐徊坑腥び謩?lì)志的電影、影片中小小的四軸飛行器，象征著那位年輕學(xué)生的爰好和夢(mèng)想。后來(lái)，國(guó)內(nèi)外的開(kāi)源硬件浪潮，讓四軸飛行器成為了家喻戶曉的耀眼明星。事實(shí)上四軸飛行器的歷史已經(jīng)很悠久了，早在1907年，法國(guó)就有人已經(jīng)制造了第一架四旋翼式直升機(jī)，由于沒(méi)有用到平衡控制系統(tǒng)，飛行的穩(wěn)定性非常差，近年來(lái)得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用前景十分可觀。
一、四軸飛行器的簡(jiǎn)介
四軸飛行器又稱四旋翼無(wú)人機(jī)、四旋翼飛行器。簡(jiǎn)稱四軸、四旋翼。四軸飛行器是一種多旋翼飛行器。四軸飛行器的四個(gè)螺旋槳都是電機(jī)直連的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)，十字形的布局允許飛行器通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)身的力，從而調(diào)整自身姿態(tài)。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)在“基本運(yùn)動(dòng)原理”中講述。因?yàn)樗逃械膹?fù)雜性，歷史上從未有大型的商用四軸飛行器。
無(wú)人飛行器是指具有動(dòng)力裝置，而不要求有專業(yè)操縱人員的飛行器。它利用螺旋槳通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)形成向地面的氣流來(lái)抵消機(jī)身的質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立飛行或者遠(yuǎn)程控制飛行。相對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)，旋翼無(wú)人飛行器的發(fā)展就較為緩慢，這是因?yàn)樾頍o(wú)人飛行器的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，早期的技術(shù)不能滿足飛行要求。然而旋翼機(jī)具備所有飛機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，其成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)大機(jī)翼的限制，具有自主起飛及下降功能，事故代價(jià)低等特點(diǎn)。四軸飛行器是多旋翼飛行器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，由于其應(yīng)用前景廣泛，很快就吸引了眾多研究者的注意，特別是以美國(guó)等西方國(guó)家為主的大學(xué)在無(wú)人機(jī)的控制算法研究以及導(dǎo)航等方面取得了不少成果。我國(guó)基于PID控制算法，姿態(tài)控制方面也取得一定的成果。
二、四軸飛行器的結(jié)構(gòu)部件
四軸飛行器雖然有大有小，形狀各異，但是基本原理和結(jié)構(gòu)還是很類似的，以下是一些常見(jiàn)的配置。
1、四軸機(jī)架
機(jī)架就是一個(gè)十字形的支持結(jié)構(gòu)。微型四軸常常直接用電路板客串支架，一些DIY的高手會(huì)己設(shè)計(jì)和制作輕便簡(jiǎn)潔的支架如果你沒(méi)有加工條件，直接在網(wǎng)上也可以買到各種成品。機(jī)架最好帶有彈性的支撐腿，避免降落時(shí)損壞電機(jī)。另外，如果可能的話，可以給螺旋槳加上一個(gè)框，避免葉片傷人或者被打斷。
2、四軸飛行器的電機(jī)和螺旋槳
為了讓四軸更小巧和輕便，一般來(lái)說(shuō)微型四軸會(huì)選擇空心杯電機(jī)，每個(gè)只有幾克重。而大家玩航拍的干克量級(jí)的四軸飛行器，則選用航模專用的無(wú)刷電機(jī)。這些電機(jī)會(huì)標(biāo)明kV800、kvl 000之類的參數(shù)，表示輸入電壓每增加1V，電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的值。電機(jī)的型號(hào)一般是2212、2018之類的數(shù)字，前兩位表示轉(zhuǎn)子直徑，后兩位表示轉(zhuǎn)子高度，數(shù)字越大的電機(jī)功率越大。入門(mén)航拍用的四軸飛行器，選擇2212或稍大的電機(jī)即可。
另外，購(gòu)買電機(jī)的時(shí)候一般都會(huì)有推薦使用的配套螺旋槳。四軸飛行器的螺旋槳是正反槳，需要成對(duì)購(gòu)買。槳的參數(shù)類似1045這樣，前面2位代表槳的直徑（linch=25.4mm)后面2位是槳的角度。
3、無(wú)人機(jī)的電子調(diào)速器
電子調(diào)速器簡(jiǎn)稱電調(diào)，用來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，4個(gè)電機(jī)需要對(duì)應(yīng)4個(gè)電調(diào)來(lái)控制。傳統(tǒng)的直流有刷電機(jī)接兩根線，電壓越大，轉(zhuǎn)得越快，反接電源則反著轉(zhuǎn)。而無(wú)刷電機(jī)一般至少有3根接線，靠電調(diào)不斷切換電流來(lái)控制轉(zhuǎn)速。電調(diào)控制的信號(hào)一般是PWM，通過(guò)不同的占空比時(shí)間來(lái)設(shè)置。電調(diào)有個(gè)重要的參數(shù)是安培數(shù)，代表著它能支撐多大的功率。航拍使用的電調(diào)推薦使用20至30A以上另外，選擇電調(diào)的時(shí)候，最好帶有BEC輸出，其實(shí)就是一個(gè)5V的電壓輸出，可以給飛機(jī)上的單片機(jī)和傳感器供電，降低電路的復(fù)雜度。
4、飛控
飛控是傳感器、單片機(jī)、遙控接收裝置和其他一些周邊電路的統(tǒng)稱。一般飛控板除了自穩(wěn)之外，還各支持不同功能，如航拍云臺(tái)控制、夜航燈、GPS模塊等。飛控板的硬件，主要包括陀螺儀、加速度傳感器和單片機(jī)等。其中陀螺僅用于檢測(cè)飛行器的角速度，加速度用于檢測(cè)飛行器的姿態(tài)由于飛機(jī)上天之后，經(jīng)常受到空氣擾動(dòng)和螺旋槳震動(dòng)的影響，加速度傳感器測(cè)量的姿態(tài)角度是誤差非常巨大的。而陀螺儀雖然測(cè)量角速度精確，但是要獲得姿態(tài)的話，需要對(duì)角速度進(jìn)行積分，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)有很大的累計(jì)誤差。所以飛控板上的核心軟件部分，必須有糾正誤差的融合算法。據(jù)說(shuō)現(xiàn)在最新的六軸傳感器（例如MPU6050）已經(jīng)帶融合算法。
5、電池
電池四軸飛行器需要使用重量輕、功率大的電源。一般都選用聚合物鋰離子電池。Li-po鋰電池的主要參數(shù)包括標(biāo)稱電壓、電池容量和放電能力。以3S/2000mAh/25C為例，鋰電池每個(gè)單元的電壓是3．7v左右，一般根據(jù)需要會(huì)把幾塊鋰電池串聯(lián)起來(lái)。
6、四軸無(wú)人機(jī)的遙控器
遙控器如果你打算在室內(nèi)遙控微型四軸飛行器，那么選擇一款入門(mén)級(jí)的遙控器就可以了，有的四軸飛行器也可以通過(guò)藍(lán)牙手機(jī)遙控。如果你打算玩航拍，那么就需要專業(yè)一點(diǎn)的航模遙控器了。目前遙控器的品牌和種類繁多，價(jià)格從幾百到幾干都有，選擇時(shí)請(qǐng)各取所需。建議選用4通道以上的遙控器，通道越多，能控制的功能就越多。另外，航模遙控器分為“美國(guó)手"和“日本手"，分別對(duì)應(yīng)左手控制油門(mén)和右手控制油門(mén)。一般來(lái)說(shuō)，正常人習(xí)慣用“美國(guó)手"，也有很多遙控器已經(jīng)支持在設(shè)置里進(jìn)行切換。頻率一般選用2 4GHz,這個(gè)頻率比較主流，也很穩(wěn)定。至于遙控距離，一般的遙控器都在幾百米以上，高級(jí)的遙控器可以達(dá)到幾干米。但是話說(shuō)回來(lái)，四軸飛行器到幾百米以外，基本已經(jīng)看不清姿態(tài)了，所以也沒(méi)有必要追求很長(zhǎng)的遙控距離。
除了手持的遙控器外，四軸飛行器還可以通過(guò)一些其他方式進(jìn)行遙控。例如目前市區(qū)的地面幾百米范圍內(nèi)，基本都已經(jīng)被手機(jī)信號(hào)覆蓋，所以可以在飛行器上安裝手機(jī)引SIM卡，通過(guò)GPRS或者3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。還可以在飛行器上增加GPS模塊，這樣甚至可以無(wú)需遙控，通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的軟件，就可以讓四軸飛行器到指定的地點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)后自動(dòng)返航。
三、四軸飛行器方案的動(dòng)力原理
1、四軸飛行器的飛行模式
四軸飛行器的飛行模式主要包括十字模式和x字模式兩種，如圖1所示。
十字模式下的飛行方向與其中一個(gè)電機(jī)的安裝方向一致，而x模式下的四軸飛行器前進(jìn)方向指向兩個(gè)電機(jī)中間。由于十字模式可以直接明了的分清四個(gè)電機(jī)在四軸飛行器飛行過(guò)程的作用，所以操縱簡(jiǎn)單，但動(dòng)作靈活性差。x模式飛行模式復(fù)雜，但動(dòng)作靈活。本次課題的四旋翼飛行器設(shè)計(jì)采用x模式。
2、四軸飛行器的動(dòng)力學(xué)分析
四軸飛行器的動(dòng)力來(lái)自機(jī)翼上的四個(gè)電機(jī)，帶動(dòng)螺旋槳來(lái)提供空氣動(dòng)力，和普通風(fēng)扇一樣，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)通過(guò)自身的流線型結(jié)構(gòu)使空氣推向前方或后方（和將的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)）。而對(duì)于四軸飛行器而言，四個(gè)螺旋槳都需要將空氣推向下方，進(jìn)而產(chǎn)生向上的推進(jìn)力。對(duì)于空氣槳，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在空中停車后，螺旋槳繪像風(fēng)車一樣繼續(xù)沿著原方向旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象成為螺旋槳的自旋。通過(guò)對(duì)槳的受力分析可知，如果某一只螺旋槳是順時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)，則該槳會(huì)對(duì)機(jī)身產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針的反作用力，使得機(jī)身向逆時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)。如果我們使用四個(gè)一模一樣的槳，要使槳螺旋槳空氣推向下方，那么四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相同，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩就會(huì)朝著同一個(gè)方向，四軸則開(kāi)始瘋狂旋轉(zhuǎn)。因此，為了抵消螺旋槳的自旋，應(yīng)該使四軸飛行器相鄰的一對(duì)槳轉(zhuǎn)向相反，讓這一對(duì)槳產(chǎn)生的反作用力互相抵消。
四軸飛行器本身是的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)4個(gè)電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速相等且升力等于四軸飛行器本身重量時(shí)，四軸飛行器將會(huì)處于懸停狀態(tài)。當(dāng)飛行器處于懸停狀態(tài)時(shí)，可以有留個(gè)6個(gè)方向的自由度組合，即俯仰（前后運(yùn)動(dòng)）、橫滾（左右運(yùn)動(dòng)）、升降（上下運(yùn)動(dòng)）。
四、四軸飛行器的硬件設(shè)計(jì)
四軸飛行器的整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括電源模塊，控制模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器模塊和通訊模塊，如圖2所示。
電源模塊主要提供給多個(gè)模塊供電，提供的電壓主要分為三種：3．3V，5V，3·4V一4·2V。其中3．3V主要是給控制器和姿態(tài)傳感器供電；5V主要是給通訊模塊供電，3．4V一4·2V（電池直接輸出）主要是給電機(jī)供電。
其中通訊部分主要是來(lái)自遙控器的四個(gè)通道信號(hào)。分別俯仰，橫滾，自旋和油門(mén)的指令；傳感器模塊作為飛行器的姿態(tài)檢測(cè)部分，將檢測(cè)到的角速度和角加速度信號(hào)通過(guò)控制器轉(zhuǎn)化成角度，用角度信號(hào)作為當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，與遙控部分的信號(hào)比較行程所需的閉環(huán)控制。
主控制器則處理通訊接收的遙控信號(hào)和傳感器采集的姿態(tài)信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行融合處理，最終通過(guò)PID算法得出電機(jī)的控制值，其值最終以PWM的方式輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
五、四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件采用c語(yǔ)言編寫(xiě)，微處理器公司提供了強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)功能，使得整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以更多的注重算法和軟件架構(gòu)上。四軸飛行器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)都是為控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)服務(wù)的，所以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM波是軟件系統(tǒng)的最終輸出。
軟件系統(tǒng)的主要功能有接收遙控器數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，讀取姿態(tài)傳感器中角速度和加速度的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，串級(jí)PID算法結(jié)合從遙控收到解析后的目標(biāo)角度和數(shù)據(jù)融合后的當(dāng)前角度得出控制電機(jī)所需的PWM波。
1、姿態(tài)解算實(shí)現(xiàn)
姿態(tài)解算是飛行器能否正?？刂频暮诵?，其主要作用是從遙控器得到的目標(biāo)的姿態(tài)（歐拉角）與從姿態(tài)傳感器得到的角速度和加速度通過(guò)互補(bǔ)濾波和四元數(shù)算法轉(zhuǎn)化為實(shí)際歐拉角，目標(biāo)值與實(shí)際進(jìn)行運(yùn)算的最終結(jié)果提供給PID控制器，最終得到電機(jī)PWM的輸出值，其解算步驟如圖3所示。
2、PID控制算法
四軸飛行器的控制算法采用采用PID控制器作為系統(tǒng)的控制算法。PID控制器原理簡(jiǎn)單，具有魯棒性好、適用范圍廣，參數(shù)易調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。PID控制算法在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中有者廣泛的應(yīng)用，其原理如圖4所示。
比例控制：能迅速反應(yīng)誤差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，從而減小誤差，但是比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差KP的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
積分控制：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制器就不斷的進(jìn)行積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。
微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引人一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，同時(shí)可以減小超調(diào)量，克制震蕩，從而提高系統(tǒng)性能。
因?yàn)樗妮S飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)非線性的控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID算法不但參數(shù)調(diào)制麻煩，而且控制起來(lái)比較難。所以本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是串級(jí)的PID控制，即將第一級(jí)的輸出作為第二級(jí)的輸人。外環(huán)采角度環(huán)，內(nèi)環(huán)采用角速度環(huán)，采用串級(jí)的PID算法可以很好的控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
六、四軸飛行器的方案總結(jié)
以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)分析、硬件的各模塊需求分析與選擇、以及軟件整體框架及核心的算法的解讀與分析。其中硬件設(shè)計(jì)中，各模塊的選型和電路設(shè)計(jì)以及板子外形的是最容易出錯(cuò)的。
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