基于ARM的四旋翼飞行器控制实验平台研究.docx

?

?

基于ARM的四旋翼飞行器控制实验平台研究

?

?

刘璇

摘要：近年来，四旋翼飞行器在军事和民用领域的使用越来越广泛。微型四旋翼飞行器能够实现垂直起降、自由悬停等功能。但是四旋翼飞行器具有欠驱动、强耦合、非线性、多变量和干扰敏感等特性，为飞行器的设计和控制带来困难。本论文采用ARM架构的主控芯片，设计制作了一个四旋翼飞行器的控制实验平台。介绍了在构建四旋翼飞行器实验平台的过程中遇到的难题，并提供了相应的解决办法。

关键词：四旋翼飞行器；STM32F103；PID

一、引言

四旋翼飞行器是在旋翼飞行器中算是比较简单的一种，其包涵了旋翼飞行器的基本硬件结构框架，可以以较低的成本实现旋翼飞行器平台的搭建，进行四旋翼飞行器的学习和开发。

四旋翼飞行器的四组电机及机翼分别位于十字形结构机身的各个顶点。相对机翼的电机旋转方向相同，相邻机翼的电机旋转方向相反，这样使得四个机翼旋转产生的扭矩相互抵消，产生的重力相互叠加，从而克服机身重力，使得四旋翼飞行器可以實现飞行的功能。通过分别控制四个电机不同的转速，就可以实现对飞行器姿态和高度的控制。

与传统的固定翼飞行器相比，四旋翼飞行器具有体积小、噪声低、机械结构对称、动力学模型简单的特点，能够做出垂直起降、自由悬停等动作，具备了良好的灵活性，能够在有限的空间内垂直运动、低速飞行。在超低空近地飞行当中能够发挥极大地作用。因而可以应用于更多的军事、生产生活场景中。它可为海上、废墟等不适合人员进入的环境提供侦察、救援、绘图等服务[1]。

目前，世界上人们研究的四旋翼飞行器一般体积不大，属于微小型四旋翼飞行器，一般来说分为三类：遥控航模四旋翼飞行器、微型四旋翼飞行器和小型四旋翼飞行器。

二、飞行动力学原理

偏航角、俯仰角、滚转角在四旋翼飞行器飞行过程中，我们需要控制其飞行高度和姿态。所谓高度，就是飞行器重心相对于地面的垂直高度。而姿态，我们这里通过三个角度来定义和描述（为方便说明概念，这里采用固定翼飞行器图示）：偏航角（Yaw）：以机翼所在直线为轴的旋转运动俯仰角（Pitch）：以竖直方向（垂直于机身所在平面）为轴的旋转运动滚转角（Roll）：以机舱所在直线为轴的旋转运动。

“+”模式和“x”模式这两种模式的飞行器在飞行过程所呈现的布局类型不同，对应的电机转速控制策略也不相同。比如现在想要将飞行器从水平飞行的姿态改变为机头向上的姿态（即改变飞行器的俯仰角）。如果是“+”模式，需要将3号电机转速升高，1号电机转速降低；如果是“x”模式，需要2、3号电机转速同时升高，1、4号电机转速同时降低。显然“x”模式4个电机同时变速，动作更加灵活，单控制起来比较复杂，“+”模式只有2个电机变速，动作灵活性变差，但是控制简单容易实现。

四旋翼飞行器有四个控制量，即四个电机的转速，通过控制电机转速可以改变升力大小，从而控制四旋翼飞行器的姿态和高度。当飞行器自由悬停时，电机1和电机3转向相同，电机2和电机4转向相同，四个电机转速均相同，这样四个旋翼产生的扭矩相互抵消，而产生的升力相互叠加，与飞行器重力相平衡。当飞行器处于动态过程中时，四个电机的转向不变，但转速不再保持一致.

三、系统硬件框架

本实验平台的主控芯片采用ARM架构的STM32F103系列芯片进行信号的运算和控制算法的实现，运算结果以PWM波的形式输出，驱动无刷电子调速器。无刷电子调速器一方面负责三相无刷直流电机的功率驱动，另一方面为主控板提供5V电源，实现了主电路到控制电路的电力电子变换。实验平台是执行机构是四个直流无刷电机，控制量是电机转速，调节四个电机不同的转速从而实现姿态和高度的调节。反馈环节采用姿态传感器和超声波高度测量单元，实时测量飞行器的当前姿态角和高度值。给定信号通过专用的航模遥控器给出，将给定信号与实时测量结果的差值作为主控芯片的输入，将此差值经过积分分离PID算法计算，得到主控芯片的输出。这样就实现了整个系统的闭环。在实际飞行过程中，飞行器可能会受到风力干扰、电磁干扰、安装误差等多种扰动信号，闭环控制是必不可少的。

由于飞行器的惯性与其半径的5次方成正比，半径越小，飞行器的惯性越小，调节起来灵活性就会比较高，原则上选用比较小的机架。考虑到适当的安装尺寸，同时螺旋桨之间旋转产生的乱流可能互相影响降低效率，最终选择f450机架。

四旋翼飞行器的四个桨叶为了平衡扭矩有两种相反的转向，但是要保证顺时针、逆时针两种转向旋翼的风都向下吹这样才能得到最大的升力以克服重力，显然同一种旋向的桨是不能满足这种需求的，所以需要正反桨。

本实验中使用的2对1045正反桨，前两位数字代表桨的直径（单位：英寸1英寸=2.54厘米），即1045桨的直径为25.4厘米，后