1四旋翼飛行器研究背景

四旋翼飛行器的構(gòu)造與操作簡單,且便于攜帶,載重量大,因此適用范圍廣。但是,鑒于四旋翼飛行器本身的屬性,非線性系統(tǒng)不夠穩(wěn)定,難以實現(xiàn)人為直接控制,還需要結(jié)合自動控制技術(shù),穩(wěn)定飛行狀態(tài)。因此,需要確保四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)的有效性,從而保障其飛行性能和操縱能力。

四旋翼飛行器研究日益受到重視,四旋翼無人飛行器的優(yōu)勢在于垂直起降、攜帶方便、操作靈活,主要運用于影視、消防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本文研究基于STM32的四旋翼無人飛行器控制理論,硬件系統(tǒng)包括半導(dǎo)體的32位STM32系列微處理器以及傳感器等,結(jié)合仿真系統(tǒng)完成四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計。

2四旋翼飛行器研究方法

飛行器結(jié)構(gòu)形式較直升機簡單,沒有拉桿、較鏈和傳動等復(fù)雜結(jié)構(gòu),通過電機直接驅(qū)動而穩(wěn)定飛行狀態(tài)。根據(jù)旋翼數(shù)量可分為四旋翼、六旋翼、八旋翼、雙層四旋翼,不同數(shù)量的旋翼,其載重能力和抗風(fēng)性能也不同。本文研究的是設(shè)計結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的四旋翼飛行器控制飛行系統(tǒng)。

傳統(tǒng)直升機包括主轉(zhuǎn)子與尾獎兩部分,螺旋獎受控制舵機操控,飛行姿態(tài)與飛行點主要通過獎距角的調(diào)整得以實現(xiàn)。而多旋翼飛行器的飛行姿態(tài)調(diào)整,則直接通過四個電機轉(zhuǎn)速的調(diào)控,調(diào)節(jié)旋翼轉(zhuǎn)速與升力。圖1為四旋翼飛行器工作原理,不同電機轉(zhuǎn)動方向有所區(qū)別,相鄰電機轉(zhuǎn)動方向不同,遵循此規(guī)律,系統(tǒng)設(shè)計參照圖1調(diào)整電機轉(zhuǎn)動。

圖1飛行器電機布局及飛行方向

為了提高升力,飛行器所有電機轉(zhuǎn)速更快,從而使飛行形態(tài)向上運動,而且要穩(wěn)定所有電機推力,飛行器向上運動的前提在于所有電機推力之和不低于飛行器本身的重量。飛行器向下運動則相反,所有電機轉(zhuǎn)速降低,電機推力相對穩(wěn)定且推力之和不高于飛行器自身重量。關(guān)于俯仰運動的操作,電機1和電機2,電機3和4電機分別為兩組,電機1、電機2轉(zhuǎn)速減緩,電機3、電機4轉(zhuǎn)速提高,飛行器兩端受力不一致,那么電機1、電機2一端則下降,電機3、電機4一端則仰起,完成俯仰飛行姿態(tài)。橫滾運動與之原理相同,電機1、電機4與電機2、電機3分別為兩組,完成左右橫滾運動。偏航運動的實現(xiàn),主要基于角動量守恒原理,分為電機1、電機3小組和電機2、電機4小組,相同小組的電機分別同時增加或減小轉(zhuǎn)速,飛行器將以自身重心為基點,在空中旋轉(zhuǎn),減速電機方向即為轉(zhuǎn)動方向。

飛行器前后左右的飛行姿態(tài)實現(xiàn),則通過協(xié)調(diào)運動方向旋轉(zhuǎn)的適度性,根據(jù)所要飛行的方向確定旋轉(zhuǎn)角度,所有電機推力朝著旋轉(zhuǎn)目標(biāo)方向?qū)崿F(xiàn)分力,確保飛行器能夠穩(wěn)定運行。根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn),四旋翼飛行器的運動姿態(tài)分為上下、左右、前后、俯仰、橫滾、偏航6種,要根據(jù)目標(biāo)姿態(tài)而實現(xiàn)電機的有效控制,確保系統(tǒng)控制穩(wěn)定性,人為手動操作難度高,因此要加強四旋翼飛行器自動控制系統(tǒng)的研究。

3四旋翼飛行器控制系統(tǒng)介紹

飛行器控制系統(tǒng)以STM32控制器為基礎(chǔ),系統(tǒng)分為主控制板、遙控器接收模塊、wi-Fi通信模塊、電機模塊、電源模塊等。

3.1電源模塊

系統(tǒng)完成目標(biāo)動作需要有電源支持,要確保四旋翼飛行器工作的相對穩(wěn)定,作為系統(tǒng)的能源供給,飛行器不同元件需要設(shè)置不同電壓,還要根據(jù)實際需要設(shè)計相應(yīng)電路。如電機運行電壓3.7V,主控模塊、傳感器、無線通信模塊電壓3.3V,需要穩(wěn)定電源模塊性能,確保系統(tǒng)各模塊有充足的電力保障。本設(shè)計先升壓,然后結(jié)合直流電路完成0.4V的降壓。穩(wěn)定電源實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式,要科學(xué)設(shè)計電源模塊,盡可能避免系統(tǒng)出錯,飛控板電機驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)飛控系統(tǒng)操作。電源模塊的設(shè)計遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),通過上拉電阻完成驅(qū)動力要求。

3.2主控制板

中心控制模塊是整個飛行控制系統(tǒng)的核心,其功能在于收集有關(guān)速率并加以計算,傳感器將檢測的角速率、加速度、航向等信息傳送到中心控制模塊,控制模塊將信息加以整合,明確控制標(biāo)準(zhǔn),保證輸出控制的有效性,另外及時對遙控器控制指示加以回應(yīng)。本設(shè)計結(jié)合STM32主控制器,及時進行飛行姿態(tài)與控制驗算,主控器適用于不同傳感器通信與遙控器信號處理需要,能夠有效減少設(shè)計成本,因此其適用范圍廣,能夠有效節(jié)約資源,適用于本設(shè)計需要。

3.3遙控器接收模塊

電機實現(xiàn)四個旋翼的轉(zhuǎn)速控制,主要通過主控模塊的輸出以及遙控器模塊的接收,而明確執(zhí)行遙控器指示,將其指示信號轉(zhuǎn)換為PwM形式。然后傳感器輸出,實現(xiàn)不同旋翼的升力和反扭矩控制,遙控器接收模塊有效保障飛行器的飛行安全性,減少開發(fā)成本,設(shè)計操作更為簡便。

3.4Wi-Fi通信模塊

無線通信模塊實現(xiàn)飛行器控制模塊與地面站的連接,結(jié)合無線通信模式而無線連接飛行器控制體系,及時收集飛行器有關(guān)參數(shù)與運行姿態(tài),方便地面站根據(jù)需要而調(diào)整控制模塊參數(shù),很好地提升了參數(shù)調(diào)試效率。飛行器地面站主要以PC機方式,但目前通過手機軟件的研發(fā),有效提高了參數(shù)配置調(diào)整的便捷性。wi-Fi通信模塊為四旋翼無人飛行器和地面遙控通信的紐帶,本設(shè)計的無線傳輸距離不超過100m,根據(jù)1SM頻段的單片無線收發(fā)器芯片,實現(xiàn)飛行器控制模塊與地面站的連接,能夠滿足自動應(yīng)答重發(fā)需要,操作相對簡單。

3.5電機模塊

四旋翼無人飛行器通過控制電機轉(zhuǎn)速與方向,實現(xiàn)飛行器姿態(tài)與飛行位置的調(diào)整控制。較傳統(tǒng)直升機相比,電機推力明顯,且重量輕,有效減少器材的磨損,相較于傳統(tǒng)直升機的既定優(yōu)勢,能夠滿足功率承量標(biāo)準(zhǔn)較高的情況,穩(wěn)定電機性能,但電機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計要實現(xiàn)自動化相對復(fù)雜,要結(jié)合專業(yè)電子驅(qū)動器加以完成,這就需要結(jié)合電機調(diào)速器,實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化與傳輸?；赟TM32輸出PwM脈沖信號控制電調(diào),協(xié)調(diào)電機轉(zhuǎn)速并控制飛行姿態(tài)和飛行位置。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

四旋翼飛行器系統(tǒng)設(shè)計,為了實現(xiàn)自動化控制,驅(qū)動系統(tǒng)包括4輸入6輸出,四旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)對稱,因此俯仰角、橫滾角等控制具有相同屬性。四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)控制,如俯仰、橫滾、偏航、升降,主要結(jié)合4個輸入量完成。微處理器具有初始化、系統(tǒng)自檢、解算傳感器數(shù)據(jù)、遙控信息解算、執(zhí)行控制算法、計算并輸出控制量等作用。

5結(jié)語

本文設(shè)計主要基于STM32控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制,有效調(diào)整四旋翼飛行器飛行姿態(tài)與飛行位置,增強控制器屬性,單片機集成外設(shè)資源較多,不需要其他電路設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了控制模塊與地面站的有效聯(lián)系,從而確保參數(shù)記錄與參數(shù)配置調(diào)整更加便捷。