四旋翼飛行器的穩定懸停與飛行設計論文
四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問(wèn)題。下面由學(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩定懸停與飛行設計”的航天工程論文，供大家參考。
原標題：四旋翼控制系統的設計
摘要：在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎上，給出了微型四旋翼飛行器的實(shí)現方案，采用RL78G13為核心處理器，采用MPU6050實(shí)現飛行姿態(tài)數據的采集，利用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現參數的無(wú)線(xiàn)傳輸，并進(jìn)行了驅動(dòng)電路、電源穩壓電路、電池電壓檢測電路的設計。針對四旋翼飛行器在工作過(guò)程中供電電壓不斷降低導致控制不穩的問(wèn)題，采用電池電壓反饋的控制策略有效解決了該問(wèn)題。在搭建的硬件平臺上，編寫(xiě)了相應的控制程序，經(jīng)過(guò)測試，實(shí)現了四旋翼飛行器的穩定控制。
關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；姿態(tài)數據；無(wú)線(xiàn)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(wèn)題。軍方利用四旋翼飛行器進(jìn)行偵查、監視、誘餌與通信中繼，解決了人為操作困難的問(wèn)題，甚至減免了人員的傷亡；而在民用上，四旋翼飛行器能夠實(shí)現大氣監測、交通監控、森林防火等功能，有效預防了危機的產(chǎn)生，而促使四旋翼飛行器得到廣泛應用的前提，是實(shí)現其平穩飛行及自主運行[1].本設計以實(shí)現四旋翼飛行器的穩定懸停與按照預定軌道自主飛行為目標，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結構與飛行原理，并通過(guò)實(shí)際調試，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(guò)程中由于供電電壓不斷降低導致控制不穩的問(wèn)題。
1設計原理方案
四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對其飛行過(guò)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方法及PID算法對姿態(tài)數據進(jìn)行解算，并將計算后的PWM控制信號施加到電機上，進(jìn)而實(shí)現對四旋翼飛行器的控制。
通過(guò)調研及綜合目前四旋翼飛行器系統的特點(diǎn)及要求，確定了設計的性能及指標如下。
�。�1）通信功能：具有無(wú)線(xiàn)接口，實(shí)現飛行功能的無(wú)線(xiàn)設定。
�。�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后穩定降落；③垂直升起至60cm處，水平飛行1m后穩定降落；④由無(wú)線(xiàn)設定高度及飛行距離，完成起飛及降落功能。
基于對需要實(shí)現功能的理解，確定該設計的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數據的處理、PID運算及PWM的輸出。系統由RL78G13最小系統、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、飛行數據采集模塊、電池電壓檢測模塊、高度檢測模塊、電源電路模塊、電機驅動(dòng)模塊等構成，總體結構框圖如圖1所示。
各模塊的功能如下：RL78G13最小系統作為四旋翼飛行器的主控；飛行數據采集模塊，用于對四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的相關(guān)數據進(jìn)行采集；高度檢測模塊，實(shí)現定位追蹤四旋翼飛行器實(shí)際高度信息的功能；無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)；電池電壓檢測模塊，用于消除由于電池電量消耗對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；電機驅動(dòng)模塊，用于提高I/O口的驅動(dòng)帶載能力。
2硬件設計
2.1電機驅動(dòng)電路設計
RL78G13單片機I/O口輸出電流為10mA,3.7V空心杯電機的空載電流為80mA,顯然采用RL78G13單片機I/O口作輸出，無(wú)法驅動(dòng)起四路空心杯電機，因此設計了驅動(dòng)電路以提高I/O口的驅動(dòng)帶載能力。設計中采用SI2302N溝道CMOS管進(jìn)行電流的驅動(dòng)放大，單路電機驅動(dòng)電路如圖2所示。測試表明，經(jīng)過(guò)SI2302驅動(dòng)電路放大后，RL78G13能夠穩定驅動(dòng)四路空心杯電機，且長(cháng)時(shí)間工作時(shí)，驅動(dòng)電路元件自身發(fā)熱不明顯。
圖2中穩壓二極管D1起到續流及保護SI2302的作用，電機停轉過(guò)程中，電機內部線(xiàn)圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢經(jīng)D1形成放電通路，避免因無(wú)放電通路而擊穿驅動(dòng)電路中SI2302的問(wèn)題。
2.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路設計
當采用功能開(kāi)關(guān)對四旋翼飛行器飛行方式進(jìn)行設定時(shí)，隨著(zhù)其飛行功能越來(lái)越多，對功能開(kāi)關(guān)的使用也將增多，使得四旋翼飛行器的硬件設計復雜，而且會(huì )增加其自身的重量，同時(shí)在實(shí)際調試中，通過(guò)功能開(kāi)關(guān)切換飛行方式，又使得調試較為繁瑣，工作量較大。故在設計中引入無(wú)線(xiàn)參數給定的思想，設計了無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)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，相比于其他無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路而言，該電路設計簡(jiǎn)單且成本較低。nRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路如圖3所示。
2.3TPS63001穩壓電路設計
四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中，隨著(zhù)電機轉速的增加，會(huì )造成控制電路電壓大幅波動(dòng)，進(jìn)而導致各功能模塊無(wú)法工作，為了避免此類(lèi)情況發(fā)生，設計了TPS63001穩壓電路，TPS63001在1.8~5.5V輸入時(shí)，均穩壓輸出3.3V,保證系統各控制電路電壓處于穩定狀態(tài)。TPS63001穩壓電路如圖4所示。
2.4電池電壓檢測電路設計
四旋翼飛行器運行時(shí)，電池處于持續耗電狀態(tài)，實(shí)驗中發(fā)現電量的持續消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩定性的重要因素。為了消除其對四旋翼飛行器的影響，因此設計了電池電壓檢測電路，利用RL78G13自帶的AD實(shí)時(shí)檢測電池電壓，并通過(guò)適時(shí)調整PWM輸出信號的方式對飛行姿態(tài)進(jìn)行補償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩定狀態(tài)。
2.5其他功能模塊電路設計
其他功能模塊包括RL78G13最小系統、MPU6050數據采集電路、高度檢測模塊、功能開(kāi)關(guān)電路。RL78G13最小系統包括復位電路及晶振電路；MPU6050用來(lái)采集飛行過(guò)程中的三軸加速度與三軸角速度信息；高度檢測則由GP2Y0A02YK0F模塊實(shí)現，其工作原理是發(fā)射的紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)地面反射回來(lái)，并由模塊輸出電壓信號，輸出的電壓值會(huì )對應相應的探測距離，RL78G13通過(guò)測量電壓值就可以得出所探測的距離。設計的硬件實(shí)物圖如圖5所示。
3軟件設計
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，然后進(jìn)行姿態(tài)解算，最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機上，通過(guò)調整各路PWM信號完成相應的飛行控制功能。
3.1控制算法
�。�1）飛行姿態(tài)數據：RL78G13通過(guò)MPU6050采集載體坐標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）數據更新：由于設計中采用四元數進(jìn)行歐拉角的計算，而歐拉角將隨著(zhù)四元數的變化而變化，設計中采用四元數的自補償算法進(jìn)行數據的更新，如式（1）~（4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元數，Δt為MPU6050的采樣時(shí)間。
�。�3）姿態(tài)角的計算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X歐拉角（分別稱(chēng)為偏航角、俯仰角和橫滾角）。ψ、θ和φ的計算如式（5）~（7）所示。
�。�4）補償零點(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，由載體坐標系下的三軸角速度計算得到的四元數只能保證短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片內部的加速度計對其進(jìn)行矯正。式（8）~（10）為axB、ayB、azB的數據歸一化。
式（11）~（13）中的vx、vy、vz分別為利用四元數方法估計的四旋翼飛行器載體質(zhì)心的速度在載體坐標系三軸上的分量。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即為對零點(diǎn)漂移的補償。
�。�5）PID計算：式（20）~（22）中θd、φd、ψd分別表示下一次解算出來(lái)的俯仰角、橫滾角及偏航角的值，eθ、eφ、eψ分別用來(lái)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，利用PID算法通過(guò)式（23）~（25），分別求出施加在4個(gè)電機上的可調變量uψ、uθ、uφ。
�。�6）輸出整合：令motor1、motor2、motor3、motor4為控制4個(gè)電機的PWM輸出參數，Moto_PwmMin為PWM基礎量（根據不同情況設定，一般為0）。根據理論計算，施加在4個(gè)電機上的PWM輸出信號如式（26）~（29）所示。
3.2參數整定與調試
設計中采用PID控制算法進(jìn)行四旋翼飛行器的控制，I是積分項，積分項會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增加而增大，能夠消除系統進(jìn)入穩態(tài)后存在的穩態(tài)誤差，但是在實(shí)際調試過(guò)程中，通過(guò)增大P值可以抑制穩態(tài)誤差[2],因此主要是采用PD的控制方式。調試過(guò)程中，對P、D值的同時(shí)調整會(huì )產(chǎn)生的兩種控制效果的疊加，以致無(wú)法進(jìn)行每一控制參數的影響分析，故先使D值為零，P值由0增加，初次調試時(shí)，四旋翼飛行器自身不存在調節，當P值增加時(shí)，根據式（23）~（25）計算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再經(jīng)式（26）~（29）后，施加在4個(gè)空心杯電機上的PWM控制信號均有所變化。調試中，為了防止四旋翼飛行器控制出錯而損壞硬件，故將四旋翼飛行器以X字型倒掛固定在一根活動(dòng)的長(cháng)桿上，當P值由0增加到4時(shí)，四旋翼飛行器出現了翻滾的飛行狀態(tài)，表明P開(kāi)始對整體系統起作用，逐漸增大P值，四旋翼飛行器開(kāi)始產(chǎn)生大幅度的'等幅振蕩，當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定，再增加P值，四旋翼飛行器又開(kāi)始進(jìn)行等幅振蕩，說(shuō)明P值為14時(shí)為系統自穩的一個(gè)分界點(diǎn)。根據查閱的大量資料了解到D值是通過(guò)預測系統誤差的變化來(lái)減少系統的響應時(shí)間，提高系統的穩定性[3].調試過(guò)程中，逐漸增加D值，當D值增加至0.8時(shí)，四旋翼飛行器的自身調節更快，穩定性更高。同時(shí)D值的增加會(huì )對P值有一定的影響，最終確定P值為13.8、D值為0.8時(shí)，系統穩定飛行于長(cháng)桿上方。當去掉長(cháng)桿時(shí)，四旋翼飛行器能夠穩定飛行，但隨著(zhù)飛行時(shí)間增加，飛行穩定性越來(lái)越差，因此考慮了姿態(tài)補償問(wèn)題。
3.3姿態(tài)補償
在實(shí)際調試過(guò)程中發(fā)現，電池處于滿(mǎn)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(mǎn)電狀態(tài)下，各部分電路工作穩定，電機轉速正常，當電池的電量持續消耗時(shí)，電機的轉速不斷降低，因此四旋翼飛行器的整體性能處于下降趨勢，為了消除這一影響，利用RL78G13實(shí)時(shí)檢測電池電壓，并適時(shí)調整PWM輸出信號來(lái)實(shí)現四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)補償。由式（26）~（29）知，通過(guò)增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路電機上的PWM信號，進(jìn)而增大電機轉速，可以實(shí)現對飛行姿態(tài)進(jìn)行補償[4].經(jīng)調試知，當RL78G13檢測到3.7V的電壓降到3.5V時(shí)，將Moto_PwmMin增至100對飛行姿態(tài)的補償最佳，隨后電壓值的下降與Moto_PwmMin值的增加基本呈非線(xiàn)性的關(guān)系，經(jīng)大量實(shí)驗驗證，補償系數符合式（30）的規律，式中u1代表電池當前的電壓值。
當檢測到的電壓值低于2.6V時(shí)，飛行姿態(tài)將無(wú)法得到補償，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路電機的PWM控制信號。
4結論
實(shí)驗結果表明，本文所設計的四旋翼飛行器結構簡(jiǎn)易、飛行姿態(tài)靈活，實(shí)現了空中穩定懸停及按預設路線(xiàn)飛行等兩種飛行功能，并實(shí)現了無(wú)線(xiàn)參數的給定，滿(mǎn)足了設計的技術(shù)指標與功能要求，解決了因供電電壓不斷降低而導致的控制不穩的問(wèn)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計方案。
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