四旋翼飞行器的设计

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　　近年来，随着航模爱好者的增加，越来越多的航模爱好者投向了四轴飞行器，也即四旋翼。四旋翼在设计时可分为十字模式和X 模式，通过改变螺旋桨的转速来使四旋翼进行俯仰、滚转、偏航三种基本的运动。十字模式较为简单，每次只改变一个轴上的两个桨的转速，而X 模式是通过改变四个桨的转速来改变四旋翼的运动姿态，所以X 模式的四旋翼可以进行更为精细的调节。四旋翼的发展不仅是因为它的价格达到了大众可以接受的范围，而且它的技术能被越来越多的人掌握。我们现在所设计的便是通过经典的PID 来控制四旋翼的飞行。
　　此次设计四旋翼采用的是十字模式，用六通遥控器来进行控制，选用的机架是F450 的机架、十寸桨1045 和1000kv 的无刷电机。接下来就是进行飞控板的设计，我们选用的是瑞萨的R5F100LEA 芯片和串口6 轴加速度计/ 陀螺仪MPU6050 模块，在无线模块的选用中我们也使用了串口无线，这样降低了设计的难度，同时也使程序的编写更加简洁。
　　首先添加头文件, 然后定义滚转俯仰偏航的PID 参数、积分定义，定义四个电机输出参数、运动控制量参数（如最小油门的预定义）、姿态角度参数、校验参数、串口协议参数( 主要定义输入输出的帧头帧尾和所需数组长度)、 主循环时间参数。
　　以下是主要的程序源码：void main(void)
　　
　　　　{
　　　　 R_MAIN_UserInit();
　　　　 Delay_Ms(2000);
　　　　 while (1U)
　　　　 {
　　　　 Delay_Ms(5); //P13.0 =~P13.0;
　　　　 //------------ 校验位判断----------------//
　　　　 s u m _
　　acc=0x55+0x51+imu_buff [0]+imu_buff
　　[1]+imu_buff [2]+imu_buff [3]+imu_buff
　　[4]+imu_buff [5]+imu_buff [6]+imu_buff [7];
　　　　 s u m _
　　gry=0x55+0x52+imu_buff [9]+imu_buff[10]+imu_buff [11]+imu_buff [12]+imu_buff[13]+imu_buff [14]+imu_buff [15]+imu_buff [16];
　　　　 s u m _ang=0x55+0x53+imu_buff [18]+imu_buff
　　[19]+imu_buff [20]+imu_buff [21]+imu_buff
　　[22]+imu_buff [23]+imu_buff [24]+imu_buff [25];
　　　　 if((check_acc==sum_acc)&&(check_gry==sum_gry)&&(check_ang==sum_ang))
　　　　 {
　　　　 check_ok=1;
　　　　 }
　　　　 //-------- 以下为接收控制变量--------//
　　　　 if(uart0_receiveend == 1)
　　// 如果控制数据接收已经完成
　　　　 {
　　　　 u a r t 0 _receiveend = 0; // 接收读取，接收完成清零
　　　　 i f ( ( u a r t 0 _control[0] == 0x55) && (uart0_control[14] ==0xEB))// 协议校验正确
　　　　 { time_s=0;
　　//1s 中断循环次数
　　　　 rc_thr =
　　uart0_control[1];rc_rol = uart0_control[2];　　 rc_pit = uart0_control[3];rc_yaw = uart0_control[4];
　　　　 pid_rol_p =pid_rol_p_begin+uart0_control[8];pid_rol_i =pid_rol_i_begin+uart0_control[6];pid_rol_d =pid_rol_d_begin+uart0_control[10];
　　　　 pid_pit_
　　p=pid_pit_p_begin+uart0_control[8];pid_pit_i=pid_pit_i_begin+uart0_control[9];pid_pit_d =pid_pit_d_begin+uart0_control[10];
　　　　pid_yaw_p = pid_yaw_p_begin+uart0_control[11];pid_yaw_d =pid_yaw_d_begin+uart0_control[12];
　　　　Power=uart0_control[13];
　　　　 }
　　　　 }
　　//-------- 以下为姿态数据换算--------//
　　　　acc_x = (imu_buff[1] * 256) + (imu_buff[0]); // 从数组转换ACC 数据
　　　　acc_x = acc_x / 32768.0 * 16;
　　acc_y = (imu_buff[3] * 256) + (imu_buff[2]);
　　　　acc_y = acc_y / 32768.0 * 16;
　　　　acc_z = (imu_buff[5] * 256) + (imu_buff[4]);
　　　　acc_z = acc_z / 32768.0 * 16;gryo_x = (imu_buff[10] * 256) + (imu_buff[9]); // 从数组转换GRYO 数据
　　　　gryo_x = gryo_x / 32768.0 * 2000;
　　　　gryo_y = (imu_buff[12] * 256) + (imu_buff[11]);
　　　　gryo_y = gryo_y / 32768.0 * 2000;
　　　　gryo_z = (imu_buff[14] * 256) + (imu_buff[13]);
　　　　gryo_z = gryo_z / 32768.0 * 2000;
　　　　angle_x = (imu_buff[19] * 256) +(imu_buff[18]); // 从数组转换ANGLE 数据　　
　　angle_x = angle_x / 32768.0 * 180;
　　　　angle_y = (imu_buff[21] * 256) +(imu_buff[20]);
　　　　angle_y = angle_y / 32768.0 * 180;
　　　　angle_z = (imu_buff[23] * 256) +(imu_buff[22]);
　　　　angle_z = angle_z / 32768.0 * 180;
　　　　 //--------I 的计算----------// 积分值i 限制在200 以内 且缩小2 倍
　　　　 integral_x+=angle_x;
　　　　 integral_y+=angle_y;
　　　　 integral_z+=angle_z;
　　if(pid_rol_i*integral_x*0.1>50) integral_x_sum=50;
　　　　 else if (pid_rol_i*integral_x*0.1<-50) integral_x_sum=-50;　　 else integral_x_sum=pid_rol_i*integral_x*0.1;
　　　　 if(pid_pit_i*integral_y*0.1>50)integral_y_sum=50;
　　　　 else if(pid_pit_i*integral_y*0.1<-50) integral_y_sum=-50;　　 else integral_y_sum=pid_pit_i*integral_y*0.1 ;
　　　　 //-------- 以下为PID计算公式--------//
　　　　 p i d _ r o l = ( p i d _ r o l _p*0.08) * (angle_x + rc_rol - 100) +integral_x_sum+(pid_rol_d*0.08) * gryo_x; //PID 计算公式，X 方向GRYO 为反向输出。
　　pid_pit = (pid_pit_p*0.08) * (angle_y + rc_pit -100) -integral_y_sum+(pid_pit_d*0.08) * gryo_y; //PID 计算公式，100 为姿态控制中立点.
　　　　 pid_yaw = 0;
　　　　moto_x1 = (rc_thr * 15 + (+ pid_rol +pid_yaw));
　　　　moto_x2 = (rc_thr * 15 + (- pid_rol +pid_yaw));
　　　　moto_x3 = (rc_thr * 15 + (+ pid_pit +pid_yaw));
　　　　moto_x4 = (rc_thr * 15 + (- pid_pit +pid_yaw));
　　　　if(moto_x1 > 4000) moto_x1 = 4000;
　　if(moto_x1 < 0) moto_x1 = 0;
　　if(moto_x2 > 4000) moto_x2 = 4000;
　　if(moto_x2 < 0) moto_x2 = 0;
　　if(moto_x3 > 4000) moto_x3 = 4000;
　　if(moto_x3 < 0) moto_x3 = 0;
　　if(moto_x4 > 4000) moto_x4 = 4000;
　　if(moto_x4 < 0) moto_x4 = 0;
　　if(check_ok==1)
　　　　 {
　　　　 if((Power ！
　　=0x90)&&(time_s<2))// 是否按下停机或与遥控器失去联系
　　　　 {
　　　　 check_ok=0;
　　　　 TDR01 =4000 + (unsigned int)moto_x1; //油门基准输出1MS 为4000
　　　　TDR02 = 4000 + (unsigned int)moto_x2; // 油门基准输出1MS 为4000
　　　　TDR03 = 4000 + (unsigned int)moto_x3; // 油门基准输出1MS 为4000
　　　　TDR04 = 4000 + (unsigned int)moto_x4; // 油门基准输出1MS 为4000
　　　　 }
　　　　 else// 油门小于1.18MS 关闭电机输出
　　　　 {
　　　　moto_x1 = 0;moto_x2 = 0;
　　　　moto_x3 = 0;moto_x4 = 0;
　　　　TDR01 = min_thr; TDR02 = min_thr; // 最小输出油门
　　　　TDR03 = min_thr; TDR04 = min_thr; // 最小输出油门
　　　　 }
　　　　 }
　　　　 void R_MAIN_UserInit(void)
　　　　{
　　　　 EI();　　 R_TAU0_Channel0_Start(); // 打开电机PWM 输出计时器　　 R_TAU0_Channel7_Start(); // 打开ms 定时器中断，系统时间开始
　　　　 R_UART0_Start(); // 打开COM0 端口57600-N-8-1
　　　　 R_UART1_Start(); // 打开COM1 端口115200-N-8-1　　 TDR01 = min_thr; TDR02 = min_thr;// 最小输出油门
　　　　 TDR03 = min_thr; TDR04 = min_thr;
　　// 最小输出油门
　　　　}
　　说明：在设计中出现了飞机在调节的过程中突然剧烈摇晃的情况，也即突然过调，于是加入了校验和来校验数据，摈弃错误数据。同时在调节的过程中由于使用的是十字模式，固定一轴的情况下来调节另一轴，必须使四旋翼能够克服它自身的重力，防止它的重力干扰调节出来的PID 参数不能用于飞行的需要。在用串口无线模块来调节的时候，由于通信的延时过于严重，建议用USB 延长线连接串口来进行调节。
　　PCB 设计（图1）：
　　整机实物（图2）：

　　【参考文献】
　　[1] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 电子工业出版社,2010
　　[2] 李晓林. 单片机原理与接口技术. 电子工业出版社，2010
　　
　　

李小路

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