張國云，李亞斌，陳松，羅民，涂兵，彭仕玉

　?。ê侠砉W院 信息與通信工程學院，湖南 岳陽 414006）

      摘要：設(shè)計了基于單片機STM8的簡易數(shù)字控制四軸飛行器，硬件電路設(shè)計主要包括控制電路、傳感器電路、電機驅(qū)動電路以及無線通信電路等。在軟件算法上采用四元素姿態(tài)算法，可以完成對飛行角度準確控制。最后制作實物后經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠達到技術(shù)指標設(shè)計要求，而且具有價格低以及操作容易的特點，可滿足一般玩家娛樂性的要求。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字控制；四軸飛行器；四元素算法

0引言

　　近年來,隨著控制技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字控制芯片和功率器件價格的降低，四旋翼四軸微型飛行器（以下簡稱四軸飛行器）在民用方面得到了廣泛的應(yīng)用。四軸飛行器是一種以4個電機作為動力源泉，通過調(diào)節(jié)4個電機的轉(zhuǎn)速來控制電機飛行的飛行裝置。目前市場上的四軸飛行器普遍具有設(shè)計復(fù)雜、操作繁瑣以及價格昂貴的缺點［13］，針對此現(xiàn)象，本文設(shè)計一種基于單片機STM8的簡易數(shù)字控制四軸飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足一般玩家所要求的懸停、前后運動、左右運動以及翻滾等操作要求，而且具有價格低和操作簡單等特點。

1四軸飛行器的工作原理

　　簡易數(shù)字控制四軸飛行器采用4個旋翼螺旋槳作為飛行器的驅(qū)動力，它受各自4個電機的控制，兩對旋翼對稱地分布在飛行器的左右和前后方向，而且它們的結(jié)構(gòu)和所處高度完全一致。設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。旋翼1和旋圖1四軸飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖翼3逆時針方向旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4順時針方向旋轉(zhuǎn)，4個電機對稱安裝在四軸飛行器的支架末端，支架中心放置飛行控制處理器和外部傳感器設(shè)備。

　　為了保持四軸飛行器的平穩(wěn)飛行，本文在四軸飛行器上設(shè)計由3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器構(gòu)成的慣性導(dǎo)航控制器。由于四軸飛行器的電機 1和電機 3逆時針做旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機 4順時針做旋轉(zhuǎn)，因此當飛行器在平衡飛行時，外部環(huán)境對飛行器的干擾可以被抵消。 四軸飛行器可以進行簡單的垂直運動、俯仰運動、翻滾運動、偏航運動以及前后運動5個運動，5個運動的工作原理類似，現(xiàn)以垂直運動為例說明其工作過程，其垂直運動圖示如圖2所示。由于兩對電機的轉(zhuǎn)向剛好是相反的，可以平衡其對飛行器的反扭矩，從而保持其平衡。如果同時增加4個電機的輸出功率，電機轉(zhuǎn)速的增加使得總的拉力增大，當總拉力大于整機的重量時，飛行器便離地垂直上升。反之，如果同時減小4個電機的輸出功率，飛行器則垂直下降，直至平穩(wěn)著陸，從而實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動。當外界擾動量是零時，在4個旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力大小等于飛行器自身的重力時，此時四軸飛行器便處在懸停狀態(tài)，這也是所有玩家最喜歡的懸停狀態(tài)［45］。

2四軸飛行器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1控制電路設(shè)計

　　鑒于設(shè)計要求只需要具備簡單的懸停、前后運動、左右運動以及翻滾等飛行要求，因此對控制芯片的選取顯得非常重要。原因在于如果選擇控制器性能太好，會導(dǎo)致系統(tǒng)的價格過高，超出了當初的設(shè)計初衷；如果選擇價格比較低的控制芯片，那么處理速度和容量達不到設(shè)計要求。圖5電機驅(qū)動電路原理圖根據(jù)設(shè)計成本和控制性能的需求，所選擇的處理器至少具備以下3項功能： (1)存儲容量要足夠大，能夠支持四元素融合算法的運算； (2)有PWM功能，還要有捕獲功能； (3)串口通信功能。綜合考慮，本文選取的是單片機STM8，基本可以滿足設(shè)計要求。基于STM8的控制電路原理圖如圖3所示［6］。

　　2.2傳感器電路設(shè)計

　　傳感器的作用要求為四軸飛行器的控制中心提供最精確的數(shù)據(jù)信息。由于本文所設(shè)計的四軸飛行器比較簡單，因此其負載能力是非常有限的，所以傳感器的體積及重量應(yīng)該盡量小。根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合成本選取傳感器MPU-6050，該傳感器最大的優(yōu)點是可以消除陀螺儀與加速度傳感器之間軸差的問題，從而大大地簡化了周圍硬件電路的設(shè)計，其中基于MPU6050的傳感器電路原理圖如圖4所示。

　　2.3電機驅(qū)動電路設(shè)計

　　對于小型電機驅(qū)動場合，場效應(yīng)管在功耗、成本和性能方面較其他功率開關(guān)管更具優(yōu)勢。在選擇功率場效應(yīng)管的同時，本文選擇PWM調(diào)制方式，即改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電機電壓的方法就能改變電機的轉(zhuǎn)速，從而可以方便、簡單地控制飛行器的運行，其電機驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

　　2.4無線通信電路設(shè)計

　　無線通信電路是本文設(shè)計的四軸飛行器的重要組成部分，在現(xiàn)實的使用中，用戶使用無線模塊對四軸飛行器進行位置控制，其中前后運動、左右運動、上升以及懸停是其常用的姿態(tài)控制。由于本文所設(shè)計的簡易低成本四軸飛行器應(yīng)用距離不是很遠，故選用24L01無線方案，其無線通信電路原理圖如圖6所示［7］。

3四元素姿態(tài)算法設(shè)計

　　3.1四元素算法介紹

　　四元素算法由一個標量以及一個矢量兩部分組成，標量和矢量構(gòu)成超復(fù)數(shù), 它具有實數(shù)和復(fù)數(shù)的所有特征。它作為已知定位參數(shù)，首先可以準確判斷剛體的某種姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)可以明確剛體的具體位置信息，最終可以計算出剛體的準確位姿。如果把它當作是變換算子，它可以方便地構(gòu)成可以逆轉(zhuǎn)的矩陣算子，同時這種算子既可以構(gòu)成單邊算子，也可以構(gòu)成雙邊算子。另外對于任何一種算子它既可以應(yīng)用于半角，也可以應(yīng)用全角，因此使用非常方便，而且使用范圍非常寬廣［8］。

　　3.2四元素算法實現(xiàn)

　　首先把加速度傳感器所測量到的三維向量轉(zhuǎn)成單位向量，繼而把四元素換算成方向余弦矩陣中的第三列的3個元素。根據(jù)余弦矩陣和歐拉角的定義，地理坐標系的重力向量變換到機體坐標系，正好是這3個元素。其中ax、ay、az是加速度傳感器實際測量得到的重力向量，而vx、vy、vz是陀螺積分后的姿態(tài)推算出的重力向量，它們都是機體坐標參照系上的重力向量。它們之間的誤差向量就是陀螺積分后的姿態(tài)和加速度傳感器測出來的姿態(tài)之間的誤差。向量間的誤差可以用向量叉積來表示，ex、ey、ez表示為兩個重力向量的叉積。經(jīng)過運算后的向量叉積仍舊是位于機體坐標系上的，而陀螺積分誤差也位于機體坐標系中，而且叉積的大小與陀螺積分誤差成正比例的關(guān)系，因此可以用來修正陀螺。由于陀螺是對機體的直接積分，因此對陀螺的修正量會直接體現(xiàn)在對機體坐標系的修正上。然后可以利用叉積誤差來做PI修正陀螺的零偏，最終可以解出四元素微分方程，這就是四元素算法的整個編程思路。

　　3.3四元素算法結(jié)果分析

　　為了將四元素姿態(tài)算法應(yīng)用于四軸飛行器，首先須驗證四元素姿態(tài)算法的正確性和有效性。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采圖6數(shù)據(jù)采集原理樣，必須在系統(tǒng)運動時計算角度通過串口顯示在上位機上，并記錄數(shù)據(jù)。其算法測試原理如圖6所示。主控芯片在計算出3個方向的角度后，馬上通過串口以一定的格式傳遞給上位機，這樣就可以記錄數(shù)據(jù)，并驗證數(shù)據(jù)。

　　其四元素姿態(tài)算法測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出所有角度經(jīng)過四元素算法融合之后，3個方向上的角度都完全正確，完全能夠滿足四軸飛行器對動態(tài)平衡控制的要求。 

4四軸飛行器軟件程序設(shè)計

　　四軸飛行器采用模塊化設(shè)計，主要由6個部分組成，其總體流程框圖如圖8所示。其工作流程圖工程過程分析如下：以STM8單片機為處理核心，通過SPI接口讀取無線模塊接收機中的用戶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是從無線模塊中的發(fā)射機中發(fā)出的；處理器以一定的周期通過IIC接口讀取MPU6050的6個數(shù)據(jù)，分別是3個方向的加速度數(shù)據(jù)和3個方向的角速度數(shù)據(jù)，接下來要進行姿態(tài)融合，通過以四元素為基礎(chǔ)的融合算法，利用六軸傳感器的數(shù)據(jù)計算出姿態(tài)角，結(jié)合卡爾曼濾波算法以及低通數(shù)字濾波算法，通過加速度數(shù)據(jù)進行姿態(tài)角補償，最后準確計算出四軸飛行器的姿態(tài)［910］。

5實驗結(jié)果及分析

　　四軸飛行器在完成軟硬件設(shè)計后，制作出實物圖，如圖9所示。測試工具包括上位機軟件、串口助手、藍牙模塊和MATLAB。整個實驗測試包括懸停測試以及操作性測試，其中操作性測試包括前后運動、左右運動、上下運動以及旋轉(zhuǎn)飛行測試。

　　5.1懸停測試

　　懸停測試主要是驗證四軸飛行器的穩(wěn)定性。懸停測試的具體過程為在玩家給出懸停指令后，利用藍牙模圖10懸停測試角度信息測試數(shù)據(jù)

　　塊把姿態(tài)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上，上位機保存數(shù)據(jù)后通過MATLAB軟件顯示飛行器角度信息，其懸停狀態(tài)下角度信息測試數(shù)據(jù)如圖10所示。從圖10所示的兩種懸停狀態(tài)下角度信息測試數(shù)據(jù)可以看出四軸飛行器在懸停實驗中姿態(tài)角變動基本保持在－4°~＋4°，完全能夠達到保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　5.2操作性測試

　　操作性測試是對四軸飛行器系統(tǒng)的快速性和準確性的實驗，也就是測試飛行器對玩家所發(fā)出的操作指令要求反應(yīng)迅速和精確的實驗。經(jīng)過對四軸飛行器多次測試，其操作性測試表如表2所示。從表2可以看出，本文所設(shè)計的四軸飛行器對于玩家所發(fā)出的指令，反應(yīng)迅速而且完全滿足一般玩家需求。

6結(jié)論

　　本文設(shè)計了一個簡易數(shù)字四軸飛行器裝置，采用了四元素作為姿態(tài)融合的工具，實現(xiàn)了在復(fù)雜情況下四軸飛行器的動態(tài)飛行控制。系統(tǒng)設(shè)計過程包括理論分析、系統(tǒng)實現(xiàn)方案驗證、硬件設(shè)計、軟件模塊設(shè)計、算法設(shè)計與實現(xiàn)驗證、系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)測試等，最后經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一般的懸停、左右運動和上升等操作，可以滿足對價格比較敏感的廣大玩家需求。

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