小型四旋翼飞行器的设计与研究

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0 引言
四旋翼飞行器是一种具有四个呈十字形交叉分布的螺旋桨，可以垂直起降的飞行器。它具有固定翼飞行器难以比拟的优点：能够适应各种环境，能够在超低空飞行，能够在空中悬停、倒飞、侧飞，可以垂直起降，对起飞和降落地点没有特殊要求等等。这些优点决定了四旋翼飞行器具有广阔的应用前景。
1 机体构造与飞行原理

图1-1

四旋翼飞行器的动力由四个独立的三相无刷电机带动两对正反桨旋转产生，四个电机呈X 型交叉分布，如图1-1 示，电机1 和电机3 带动一对正桨按正时针旋转，电机2 和电机4 带动一对反桨按逆时针旋转。电机旋转螺旋桨产生拉力，螺旋桨的旋转速度越快，产生的拉力越大。
同时，电机带动螺旋桨对机身会产生一个与旋转方向相反的反向扭矩，四个电机呈X 型对称分布，四个电机转速相同时产生的反向向扭矩正好两两抵消。
同时增加或减小四个电机的转速，飞行器沿着垂直方向运动；增加或减小电机1 和电机4 的转速，同时同比例减小或增加电机2 和电机3 的转速，飞行器沿着X 轴做横滚运动；增加或减小电机1 和电机2 的转速，同时同比例减小或增加电机3 和电机4 的转速，飞行器沿着Y 轴做俯仰运动。增加或减小电机1 和电机3 的转速，同时同比例减小或增加电机2 和电机4 的转速，飞行器则沿着Z 轴做偏航运动。
2 硬件设计
2.1 STM32F103 性能特点
飞行器的主控芯片采用STM32F103处理器，处理器需要完成多种传感器数据的采集处理，完成姿态解算和多路PID 控制器的实现，还有通讯数据的处理等多方面的工作，处理器的性能显得尤为重要，STM32F103 处理器的时钟频率达到72MHz，具有单周期的乘法和除法指令，有条件实现较为复杂的算法和处理大量的数据，非常适合做为飞行器的控制芯片。
2.2 姿态传感器
姿态传感器由MPU-6050 和HMC5883L 构成。飞行器的姿态角由俯仰角、横滚角和航偏角构成，其中俯仰角和横滚角是由MUP-6050 的数据获取的，MPU-6050 整合了一个3 轴角速度传感器和一个3 轴加速器传感器，MPU-6050 的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000 ° /sec，可准确追踪快速与慢速动作，控制的加速器感测范围为±2g、±4g、±8g 与±16g，完全可以要求。
航偏角由采集的磁场数据获得的，本文采用霍尼韦尔HMC5883L 三轴磁阻传感器，霍尼韦尔的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。
3 姿态解算
快速和准确的获取姿态数据是实现飞行控制的关键之一，姿态角的横滚角和俯仰角由MPU6050 上的三轴加速度和三轴角速度传感器经过数据融合获得的。因此，直接由加速度传感器的数据计算出来的姿态数据依然误差比较大。而这两个传感器正好可以弥补相互的缺点，如果能将两种传感器数据进行有效的融合，取两者的优点，就能得到准确的姿态角。本文采用互补滤波算法，互补滤波器算法简单可靠，对传感器的精度要求较低，在飞行器姿态解算中的应用广泛[1]。
加速度传感器要滤掉高频信号，角速度传感器要滤掉低频信号。互补滤波器就是根据传感器特性不同，通过不同的滤波器（高通或低通），然后再相加得到整个频带的信号。加速度传感器测倾角，其动态响应较慢，在高频时信号不可用，所以可通过低通抑制高频；角速度响应快，积分后可测得倾角，但低频段信号不好，需要通过高通滤波抑制低频噪声。将两者结合，就将加速度传感器和角速度传感器的优点融合起来，得到在高频和低频都较好的信号。互补滤波需要选择切换的频率点，即高通和低通的频率。
4 控制算法
四旋翼飞行器空气动力学十分方程复杂，具有较强的非线性特性，其数学模型较难建立； 四旋翼飞行器的运动可以看成六个自由度的刚体运动，即包括绕三个轴的转动（俯仰、横滚和偏航）和重心沿着三个轴的线运动（前进后退、左右平移和升降），而我们实现对飞行器的运动控制只能通过改变四个螺旋桨的转速来实现，这是一个典型的欠驱动和动力不稳定系统，实现起来也较为复杂，对其控制国际上采用的控制方法包括：反步法、滑模控制、LQR、反馈线性化、神经网络自适应等等[2]，这些方法有的需要依靠准确的数学模型的建立，而准确的数学模型很难得到，有的对处理器的运算速度有很高的要求，都较难实现。本文采用应用十分广泛的PID 算法，PID 算法较为简单，而且易于实现，在小动态的情况下取得了较好的效果。
PID 算法是利用偏差的比例、微分和积分的线性组合来得出控制输出量，偏差量有三个，横滚角偏差Eroll、俯仰角偏差Epitch 和航偏角的偏差Eyaw，根据PID 算法的公式就可以容易得出三个控制输出量，分别为Uroll、Upitch 和Uyaw，则根据第二部分飞行原理中介绍的电机旋转与飞行器运动的关系可以容易得出四个电机的输出量moto1、moto2、moto3 和moto4 分别为：moto1 = throttle + UROLL - UPITCH-Uyaw ;moto2 = throttle + UROLL + UPITCH+Uyaw ;moto3 = throttle - UROLL + UPITCH-Uyaw ;moto4 = throttle - UROLL - UPITCH+Uyaw ; 其中throttle 为油门的大小。
电机的输出量的大小关键是PID 的比例、微分和积分系数的设定，需要根据飞行器的飞行姿态来判断参数是否合适。
5 结束语
本文的设计的四旋翼飞行器已经通过了测试，各个模块运行正常，下一步的研究任务是加入光流模块实现空中自主悬停。
【参考文献】
[1] 梁延德, 程敏, 何福本等．基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算[J] ．传感器与微系统，2011，30(11) ：56-61．
[2］聂博文，马宏绪，王剑，．微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技［J］．电光与控制，2007，14（6）:13-17．

李小路

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