四旋翼飞行器的设计及调试

曲行达

【摘 要】四旋翼飞行器结构简易、姿态灵活、搭载外设方便，能实现航拍、监测等功能，是当前的研究热点技术之一。在搭建的硬件平台上，编写了相应的控制程序，经过测试，实现了四旋翼飞行器的稳定控制。

【关键词】四旋翼飞行器；姿态数据

【Abstract】The structure of four rotor aircraft is simple，flexible and easy to carry peripherals.Then taking aerial photo，monitoring and other functions can be realized easily.The corresponding control procedures were designed on the hardware platform.The testing shows that stability control of the four rotor aircraft is realized.

【Key words】Four rotor aircraft；Posture data

0 引言

本设计以实现四旋翼飞行器的稳定悬停与按照预定轨道自主飞行为目标，旨在探索四旋翼飞行器的硬件结构与飞行原理，并通过实际调试，理解四旋翼飞行器的相关控制理论。

1 设计原理方案

四旋翼飞行器的核心是利用MPU6050对其飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度值进行采集，主控制器采用四元数方法及PID算法对姿态数据进行解算，并将计算后的PWM控制信号施加到电机上，进而实现对四旋翼飞行器的控制。

总体结构框图如图1所示。

2 硬件设计

a.电机驱动电路设计

设计中采用SI2302 N沟道CMOS管进行电流的驱动放大。稳压二极管D1起到续流及保护SI2302的作用，电机停转过程中，电机内部线圈产生的反电动势经D1形成放电通路，避免因无放电通路而击穿驱动电路中的SI2302的问题。

b.无线收发电路设计

在设计中引入无线参数给定的思想，设计了无线收发电路，采用nRF24L01无线模块实现数据的无线收发。

c.TPS63001稳压电路设计

设计了TPS63001稳压电路，TPS63001在1.8V～5.5V输入时，均稳压输出3.3V，保证系统各控制电路电压处于稳定状态。

d.电池电压检测电路设计

设计了电池电压检测电路，通过适时调整PWM输出信号的方式对飞行姿态进行补偿，以确保四旋翼飞行器始终处于稳定状态。

3 软件设计

核心控制器利用MPU6050采集参数，然后进行姿态解算，最终以PWM控制信号的方式施加到4路空心杯电机上，通过调整各路PWM信号完成相应的飞行控制功能。

a.控制算法

（1）数据更新：由于设计中采用四元数进行欧拉角的计算，设计中采用四元数的自补偿算法进行数据的更新，如式（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）所示。式中q0、q1、q2、q3表示四元数，△t为MPU6050的采样时间。

（2）姿态角的计算：令ψ、θ和φ表示方向Z、Y、X欧拉角（分别称为偏航角、俯仰角和横滚角）。ψ、θ和φ的计算如式（4-5）、（4-6）、（4-7）所示。

（3）补偿零点漂移：由于存在陀螺零点漂移和离散采样产生的累积误差，由载体坐标系下的三轴角速度计算得到的四元数只能保证短期的精度，需要使用集成在MPU6050芯片内部的加速度计对其进行矫正。式（4-8）、（4-9）、（4-10）为axB、ayB、aZB的数据归一化。

Kp、Ki、Kd为PID的控制参数，利用PID算法通过式（4-23）、（4-24）、（4-25），分别求出施加在四个电机上的可调变量uψ、uθ、uφ。

（5）输出整合：根据理论计算，施加在四个电机上的PWM输出信号如式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）所示。

b.参数整定与调试

初次调试时，四旋翼飞行器自身不存在调节，当P值增加时，根据式（4-23）、（4-24）、（4-25）计算所得的uψ、uθ、uφ值均增加，再经式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）后，施加在四个空心杯电机上的PWM控制信号均有所变化。根据查阅的大量资料了解到D值是通过预测系统误差的变化来减少系统的响应时间，提高系统的稳定性[2]。

c.姿态补偿

当电池的电量持续消耗时，电机的转速不断降低，因此四旋翼飞行器的整体性能处于下降趋势，为了消除这一影响，利用MEGA2560实时检测电池电压，并适时调整PWM输出信号来实现四旋翼飞行器的飞行姿态补偿。由式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29）知，通过增大Moto_PwmMin可以增大施加在四路电机上的PWM信号，进而增大电机转速，实现对飞行姿态进行补偿。经大量实验验证，补偿系数符合式（4-30）的规律，式中u1代表电池当前的电压值。

当检测到的电压值低于2.6V時，飞行姿态将无法得到补偿，必须停止飞行。将式（4-30）分别代入式（4-26）、（4-27）、（4-28）、（4-29），得到（4-31）、（4-32）、（4-33）、（4-34），此4式则为最终施加到4路电机的PWM控制信号。

4 结论

本文所设计的四旋翼飞行器结构简易，实现了功能，满足了设计的技术指标与功能要求，解决了因供电电压不断降低而导致的控制不稳的问题。

【参考文献】

[1]宿敬亚，樊鹏辉，蔡开元.四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J].北京航空航天大学学报，2011，37（9）：1055-1056.

[2]国倩倩.微型四旋翼飞行器控制系统设计及控制方法研究[D].吉林大学，2013.

[责任编辑：田吉捷]endprint