基于微电子学的无人机技术

摘 要随着电子信息技術发展，无人机技术已成为一种重要的信息技术手段，相较于有人机而言，无人机系统具有一定的“自主性”，能够在一定程度上实现系统的自主控制，强化系统的智能性，是无人机系统发展的重要方向。本文就对无人机系统自主控制技术研究现状进行分析，并展望无人机系统自主控制技术的未来趋势。本文研究了无人机技术的国内外研究现状，重点分析六轴飞行器研究领域当前的关键技术，包括无人机的研究与设计，并对无人机未来的发展进行了探讨。

【关键词】电子信息 无人机 六轴飞行器 研究与设计

1 前言

无人机首次出现在 1917 年，主要应用于防空导弹打靶、军事侦察、载弹远程打击，尤其美国“全球鹰”、“捕食者”、“沙漠鹰”等型号的无人机在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战中在侦察和主动攻击中所取得的良好军事效果，使得世界各国首先在军事上开始重视无人机的研制与开发。我国无人机发展起步于 20 世纪 50 年代末，20 世纪 90 年代末，发展才得以提速，国内大学相继成立了无人机专门研究机构，西安爱生技术集团公司（西安无人机研究发展中心）成为国内一家主要的无人机研制生产厂商。它是航空工业总公司设在西北工业大学集科、工、贸一体化的现代化高科技企业，主要研制和生产系列化小型无人机系统，被国务院发展研究中心确认并入选“中华之最（1949-1995）”，是我国最大的无人飞机科研生产基地。随后，无人机的发展逐步扩展到民用市场，而在测绘行业的应用成为民用最大且发展较早的一个分支。中国测绘科学研究院于 2003 年完成并通过国土资源部验收的“UAVRS-II 型低空无人机遥感监测系统的研制”项目，实现了无人机遥控、半自主、自主三种控制方式，利用获取的影像制作了数字正射影像和线划图，开创了国内无人机应用于测绘领域的先河。

目前国际上对多轴飞行器研究与设计较为深入，后期经过大量实验及不断地调整和改进，合理的设计了六轴飞行器的整体结构。六轴飞行器的支架通过3D打印而整体打印出成品模型，飞控板和电机都固定在打印出的架子上，将六个电机呈六边形放置，使飞行器灵活并易于控制。电池利用扎带固定在飞行器下方，以保证飞行器的重心偏下，增加飞行的灵活性。遥控器通过铜柱将两个PCB板子连接起来，增加握持的手感，并且主要元件都放在两块PCB板中间，增加系统的安全性能前端引出无线通信模块天线，增加传输的功率与距离。

2 调试问题

系统的软件和硬件调节是一个漫长而复杂的过程，而且在调试过程中会不断遇到各种问题如电机坏掉、MOS管烧掉、连接突然断掉甚至在飞行过程中飞行器直接从空中衰落导致整个系统的崩溃。这些问题必须及时的解决，否则根本不能进行下一步的工作。虽然在调试过程中问题不断，但是整个制作过程累积的大量的宝贵的经验，在飞行器终于能飞的时候，会发现自己的这些努力是值得的。下面列出调试过程中的遇到的主要问题。

2.1 电机控制与驱动设置问题

动力系统是多轴飞行器的核心系统，因为整个系统的最终目的就是通过PWM波来控制电机的转速，保证动力系统的稳定是飞行器能运动的前提。在开始调试的时候，总出现电机不转的问题，通过不断的验证发现是电路MOS管选择错误，最终选择了P沟道增强型MOS管进行对电机的控制。在飞行过程中总会出现MOS管烧毁的情况，还有NRF24L01总是失联，最终发现是没有焊接保护电容导致，还有数字地和模拟的地信号没有分开。并且STM32的PWM控制需要较高的的频率，当频率较低时，可能会出现电机转速不均匀的情况，最终选择的电机频率为20KHz，能够保证系统流畅的运行。

2.2 飞行器的重量问题

在开始设计时由于没有考虑飞行的重量，导致飞行器根本飞不起来。之后更换飞行器支架，更换更大功率的电池，总体来说就是让飞行器的重量更轻，让飞行器电机的拉力更大。还有飞行器电机的垂直放置也是相当重要，当倾斜时，会有一部分的力是飞行器向某个方向飞行，并且这个力不容易抵消。

2.3 PID的参数整定问题

PID控制器直接控制的是飞行器的电机输出，直接影响六个电机的转速，控制飞行器的飞行姿态。因此合理的PID参数可以使飞行器更加平稳的飞行，所以说PID参数对飞行器的姿态确定至关重要。并且在飞行器的飞行过程中，可以通过PID的调整来实现不同的飞行效果如翻滚动作，以达到在各种控制环境下的稳定运行。PID参数中，P、I、D三个参数作用各不相同，在实际中，其输出的结果是相互影响的。为了保证飞行器的平稳飞行，需要多次对PID三个参数进行调节，保证系统对飞行姿态的快速响应以及在外界干扰到来时系统能够稳定的运行。

2.4 遥控器控制频率问题

在刚开始遥控飞行时，遥控器对飞行器的控制总是慢0.2秒左右，导致遥控器不能实时的控制飞行器的姿态，出现一些意外的碰撞等状况。调试遥控器的过程中发现，在主循环中加入了过多的程序，导致系统循环一次的时间过长，系统响应慢，传输数据的频率过低，整个系统反应过慢。最后解决办法是增大遥控器的频率，并减小主函数中循环的代码量，留下最基本的代码，保证整个系统的流畅运行。

3 结论

六轴飞行器是一种较为新型的飞行器，目前国内外的发展迅速，在各个领域中都起到了重要的作用，并且将来会发展到更广阔的空间。随着技术上的发展，多轴飞行器会向微型化、自动化方向发展，能够更好的结合实际，发展到各个领域。本课题研究比较了许多国内外的产品，并通过比较，结合其优点，弥补其不足，根据实际情况进行研发，最终完成了六轴给星期的设计。随着科学的发展，本文设计的六轴飞行器还可以得到更好的改进，随着时间的推移，会有更好的产品出现在人们的面前。

参考文献

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作者简介

李杰（1994-），华北理工大学，电气工程学院，14级电子科学与技术专业在读本科生。

作者单位

华北理工大学电气工程学院 河北省唐山市 063009