四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計(jì)論文
四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。下面由學(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計(jì)”的航天工程論文，供大家參考。
原標(biāo)題：四旋翼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎(chǔ)上，給出了微型四旋翼飛行器的實(shí)現(xiàn)方案，采用RL78G13為核心處理器，采用MPU6050實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，利用nRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)的無線傳輸，并進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)電路、電源穩(wěn)壓電路、電池電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。針對(duì)四旋翼飛行器在工作過程中供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題，采用電池電壓反饋的控制策略有效解決了該問題。在搭建的硬件平臺(tái)上，編寫了相應(yīng)的控制程序，經(jīng)過測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制。
關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；姿態(tài)數(shù)據(jù)；無線傳輸
四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。軍方利用四旋翼飛行器進(jìn)行偵查、監(jiān)視、誘餌與通信中繼，解決了人為操作困難的問題，甚至減免了人員的傷亡；而在民用上，四旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、森林防火等功能，有效預(yù)防了危機(jī)的產(chǎn)生，而促使四旋翼飛行器得到廣泛應(yīng)用的前提，是實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)飛行及自主運(yùn)行[1].本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與按照預(yù)定軌道自主飛行為目標(biāo)，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)與飛行原理，并通過實(shí)際調(diào)試，理解四旋翼飛行器的相關(guān)控制理論，并解決四旋翼飛行器在工作過程中由于供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題。
1設(shè)計(jì)原理方案
四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對(duì)其飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度值進(jìn)行采集，主控制器采用四元數(shù)方法及PID算法對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將計(jì)算后的PWM控制信號(hào)施加到電機(jī)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器的控制。
通過調(diào)研及綜合目前四旋翼飛行器系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求，確定了設(shè)計(jì)的性能及指標(biāo)如下。
（1）通信功能：具有無線接口，實(shí)現(xiàn)飛行功能的無線設(shè)定。
�。�2）飛行功能：①自主空中懸停于60cm處；②垂直升起至30cm處，水平飛行60cm后穩(wěn)定降落；③垂直升起至60cm處，水平飛行1m后穩(wěn)定降落；④由無線設(shè)定高度及飛行距離，完成起飛及降落功能。
基于對(duì)需要實(shí)現(xiàn)功能的理解，確定該設(shè)計(jì)的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數(shù)據(jù)的處理、PID運(yùn)算及PWM的輸出。系統(tǒng)由RL78G13最小系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、飛行數(shù)據(jù)采集模塊、電池電壓檢測(cè)模塊、高度檢測(cè)模塊、電源電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
各模塊的功能如下：RL78G13最小系統(tǒng)作為四旋翼飛行器的主控；飛行數(shù)據(jù)采集模塊，用于對(duì)四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；高度檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)定位追蹤四旋翼飛行器實(shí)際高度信息的功能；無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；電池電壓檢測(cè)模塊，用于消除由于電池電量消耗對(duì)四旋翼飛行器造成的影響；電源電路模塊，為整個(gè)四旋翼飛行器提供電能；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用于提高I/O口的驅(qū)動(dòng)帶載能力。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
RL78G13單片機(jī)I/O口輸出電流為10mA,3.7V空心杯電機(jī)的空載電流為80mA,顯然采用RL78G13單片機(jī)I/O口作輸出，無法驅(qū)動(dòng)起四路空心杯電機(jī)，因此設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路以提高I/O口的驅(qū)動(dòng)帶載能力。設(shè)計(jì)中采用SI2302N溝道CMOS管進(jìn)行電流的驅(qū)動(dòng)放大，單路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。測(cè)試表明，經(jīng)過SI2302驅(qū)動(dòng)電路放大后，RL78G13能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)四路空心杯電機(jī)，且長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路元件自身發(fā)熱不明顯。
圖2中穩(wěn)壓二極管D1起到續(xù)流及保護(hù)SI2302的作用，電機(jī)停轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)內(nèi)部線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)經(jīng)D1形成放電通路，避免因無放電通路而擊穿驅(qū)動(dòng)電路中SI2302的問題。
2.2無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)
當(dāng)采用功能開關(guān)對(duì)四旋翼飛行器飛行方式進(jìn)行設(shè)定時(shí)，隨著其飛行功能越來越多，對(duì)功能開關(guān)的使用也將增多，使得四旋翼飛行器的硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且會(huì)增加其自身的重量，同時(shí)在實(shí)際調(diào)試中，通過功能開關(guān)切換飛行方式，又使得調(diào)試較為繁瑣，工作量較大。故在設(shè)計(jì)中引入無線參數(shù)給定的思想，設(shè)計(jì)了無線收發(fā)電路，采用nRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF24L01在使用時(shí)所需的外部元件較少，僅需1個(gè)16MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，相比于其他無線收發(fā)電路而言，該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本較低。nRF24L01無線收發(fā)電路如圖3所示。
2.3TPS63001穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器在飛行過程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)造成控制電路電壓大幅波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致各功能模塊無法工作，為了避免此類情況發(fā)生，設(shè)計(jì)了TPS63001穩(wěn)壓電路，TPS63001在1.8~5.5V輸入時(shí)，均穩(wěn)壓輸出3.3V,保證系統(tǒng)各控制電路電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。TPS63001穩(wěn)壓電路如圖4所示。
2.4電池電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器運(yùn)行時(shí)，電池處于持續(xù)耗電狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電量的持續(xù)消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩(wěn)定性的重要因素。為了消除其對(duì)四旋翼飛行器的影響，因此設(shè)計(jì)了電池電壓檢測(cè)電路，利用RL78G13自帶的AD實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，并通過適時(shí)調(diào)整PWM輸出信號(hào)的方式對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2.5其他功能模塊電路設(shè)計(jì)
其他功能模塊包括RL78G13最小系統(tǒng)、MPU6050數(shù)據(jù)采集電路、高度檢測(cè)模塊、功能開關(guān)電路。RL78G13最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路及晶振電路；MPU6050用來采集飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度信息；高度檢測(cè)則由GP2Y0A02YK0F模塊實(shí)現(xiàn)，其工作原理是發(fā)射的紅外線經(jīng)過地面反射回來，并由模塊輸出電壓信號(hào)，輸出的電壓值會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)距離，RL78G13通過測(cè)量電壓值就可以得出所探測(cè)的距離。設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物圖如圖5所示。
3軟件設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器在空間上具有6個(gè)自由度，分別為載體坐標(biāo)系X、Y、Z軸上的加速度與角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集這些參數(shù)，然后進(jìn)行姿態(tài)解算，最終以PWM控制信號(hào)的方式施加到4路空心杯電機(jī)上，通過調(diào)整各路PWM信號(hào)完成相應(yīng)的飛行控制功能。
3.1控制算法
�。�1）飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)：RL78G13通過MPU6050采集載體坐標(biāo)系下的三軸加速度與三軸角速度，分別用axB、ayB、azB、ωxB、ωyB、ωzB表示。
（2）數(shù)據(jù)更新：由于設(shè)計(jì)中采用四元數(shù)進(jìn)行歐拉角的計(jì)算，而歐拉角將隨著四元數(shù)的變化而變化，設(shè)計(jì)中采用四元數(shù)的自補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新，如式（1）~（4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數(shù)，Δt為MPU6050的采樣時(shí)間。
�。�3）姿態(tài)角的計(jì)算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角（分別稱為偏航角、俯仰角和橫滾角）。ψ、θ和φ的計(jì)算如式（5）~（7）所示。
（4）補(bǔ)償零點(diǎn)漂移：由于存在陀螺零點(diǎn)漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差，由載體坐標(biāo)系下的三軸角速度計(jì)算得到的四元數(shù)只能保證短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片內(nèi)部的加速度計(jì)對(duì)其進(jìn)行矯正。式（8）~（10）為axB、ayB、azB的數(shù)據(jù)歸一化。
式（11）~（13）中的vx、vy、vz分別為利用四元數(shù)方法估計(jì)的四旋翼飛行器載體質(zhì)心的速度在載體坐標(biāo)系三軸上的分量。然后利用式（14）~（16）求出陀螺零點(diǎn)漂移和離散采樣產(chǎn)生的累積誤差ex、ey、ez.
再對(duì)所得到的誤差進(jìn)行比例與積分，式（17）~（19）中的gx、gy、gz即為對(duì)零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償。
�。�5）PID計(jì)算：式（20）~（22）中θd、φd、ψd分別表示下一次解算出來的俯仰角、橫滾角及偏航角的值，eθ、eφ、eψ分別用來表示兩次解算的俯仰角、橫滾角、偏航角的誤差。
kp、ki、kd為PID的控制參數(shù)，利用PID算法通過式（23）~（25），分別求出施加在4個(gè)電機(jī)上的可調(diào)變量uψ、uθ、uφ。
�。�6）輸出整合：令motor1、motor2、motor3、motor4為控制4個(gè)電機(jī)的PWM輸出參數(shù)，Moto_PwmMin為PWM基礎(chǔ)量（根據(jù)不同情況設(shè)定，一般為0）。根據(jù)理論計(jì)算，施加在4個(gè)電機(jī)上的PWM輸出信號(hào)如式（26）~（29）所示。
3.2參數(shù)整定與調(diào)試
設(shè)計(jì)中采用PID控制算法進(jìn)行四旋翼飛行器的控制，I是積分項(xiàng)，積分項(xiàng)會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，能夠消除系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在的穩(wěn)態(tài)誤差，但是在實(shí)際調(diào)試過程中，通過增大P值可以抑制穩(wěn)態(tài)誤差[2],因此主要是采用PD的控制方式。調(diào)試過程中，對(duì)P、D值的同時(shí)調(diào)整會(huì)產(chǎn)生的兩種控制效果的疊加，以致無法進(jìn)行每一控制參數(shù)的影響分析，故先使D值為零，P值由0增加，初次調(diào)試時(shí)，四旋翼飛行器自身不存在調(diào)節(jié)，當(dāng)P值增加時(shí)，根據(jù)式（23）~（25）計(jì)算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再經(jīng)式（26）~（29）后，施加在4個(gè)空心杯電機(jī)上的PWM控制信號(hào)均有所變化。調(diào)試中，為了防止四旋翼飛行器控制出錯(cuò)而損壞硬件，故將四旋翼飛行器以X字型倒掛固定在一根活動(dòng)的長(zhǎng)桿上，當(dāng)P值由0增加到4時(shí)，四旋翼飛行器出現(xiàn)了翻滾的飛行狀態(tài)，表明P開始對(duì)整體系統(tǒng)起作用，逐漸增大P值，四旋翼飛行器開始產(chǎn)生大幅度的'等幅振蕩，當(dāng)P值增大到14時(shí)，振蕩幅度減至最低，四旋翼飛行器幾乎穩(wěn)定，再增加P值，四旋翼飛行器又開始進(jìn)行等幅振蕩，說明P值為14時(shí)為系統(tǒng)自穩(wěn)的一個(gè)分界點(diǎn)。根據(jù)查閱的大量資料了解到D值是通過預(yù)測(cè)系統(tǒng)誤差的變化來減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3].調(diào)試過程中，逐漸增加D值，當(dāng)D值增加至0.8時(shí)，四旋翼飛行器的自身調(diào)節(jié)更快，穩(wěn)定性更高。同時(shí)D值的增加會(huì)對(duì)P值有一定的影響，最終確定P值為13.8、D值為0.8時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定飛行于長(zhǎng)桿上方。當(dāng)去掉長(zhǎng)桿時(shí)，四旋翼飛行器能夠穩(wěn)定飛行，但隨著飛行時(shí)間增加，飛行穩(wěn)定性越來越差，因此考慮了姿態(tài)補(bǔ)償問題。
3.3姿態(tài)補(bǔ)償
在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，電池處于滿電狀態(tài)與大幅度消耗狀態(tài)下，四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)存在較大差異：滿電狀態(tài)下，各部分電路工作穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速正常，當(dāng)電池的電量持續(xù)消耗時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷降低，因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢(shì)，為了消除這一影響，利用RL78G13實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，并適時(shí)調(diào)整PWM輸出信號(hào)來實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)補(bǔ)償。由式（26）~（29）知，通過增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機(jī)上的PWM信號(hào)，進(jìn)而增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償[4].經(jīng)調(diào)試知，當(dāng)RL78G13檢測(cè)到3.7V的電壓降到3.5V時(shí)，將Moto_PwmMin增至100對(duì)飛行姿態(tài)的補(bǔ)償最佳，隨后電壓值的下降與Moto_PwmMin值的增加基本呈非線性的關(guān)系，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，補(bǔ)償系數(shù)符合式（30）的規(guī)律，式中u1代表電池當(dāng)前的電壓值。
當(dāng)檢測(cè)到的電壓值低于2.6V時(shí)，飛行姿態(tài)將無法得到補(bǔ)償，必須停止飛行。將式（30）分別代入式（26）~（29），得到（31）~（34），此4式則為最終施加到4路電機(jī)的PWM控制信號(hào)。
4結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、飛行姿態(tài)靈活，實(shí)現(xiàn)了空中穩(wěn)定懸停及按預(yù)設(shè)路線飛行等兩種飛行功能，并實(shí)現(xiàn)了無線參數(shù)的給定，滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與功能要求，解決了因供電電壓不斷降低而導(dǎo)致的控制不穩(wěn)的問題。為推動(dòng)四旋翼飛行器技術(shù)的發(fā)展提供了很好的參考設(shè)計(jì)方案。
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