張國(guó)云，李亞斌，陳松，羅民，涂兵，彭仕玉

　?。ê侠砉W(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414006）

      摘要：設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM8的簡(jiǎn)易數(shù)字控制四軸飛行器，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括控制電路、傳感器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及無(wú)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(duì)飛行角度準(zhǔn)確控制。最后制作實(shí)物后經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠達(dá)到技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，而且具有價(jià)格低以及操作容易的特點(diǎn)，可滿足一般玩家?jiàn)蕵?lè)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(lái),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(jià)格的降低，四旋翼四軸微型飛行器（以下簡(jiǎn)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(gè)電機(jī)作為動(dòng)力源泉，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制電機(jī)飛行的飛行裝置。目前市場(chǎng)上的四軸飛行器普遍具有設(shè)計(jì)復(fù)雜、操作繁瑣以及價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)［13］，針對(duì)此現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)STM8的簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)以及翻滾等操作要求，而且具有價(jià)格低和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1四軸飛行器的工作原理

　　簡(jiǎn)易數(shù)字控制四軸飛行器采用4個(gè)旋翼螺旋槳作為飛行器的驅(qū)動(dòng)力，它受各自4個(gè)電機(jī)的控制，兩對(duì)旋翼對(duì)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(jì)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(jì)示意圖翼3逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，4個(gè)電機(jī)對(duì)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(jì)由3個(gè)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(jī) 1和電機(jī) 3逆時(shí)針做旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時(shí)針做旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器在平衡飛行時(shí)，外部環(huán)境對(duì)飛行器的干擾可以被抵消。 四軸飛行器可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)以及前后運(yùn)動(dòng)5個(gè)運(yùn)動(dòng)，5個(gè)運(yùn)動(dòng)的工作原理類似，現(xiàn)以垂直運(yùn)動(dòng)為例說(shuō)明其工作過(guò)程，其垂直運(yùn)動(dòng)圖示如圖2所示。由于兩對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)向剛好是相反的，可以平衡其對(duì)飛行器的反扭矩，從而保持其平衡。如果同時(shí)增加4個(gè)電機(jī)的輸出功率，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力大于整機(jī)的重量時(shí)，飛行器便離地垂直上升。反之，如果同時(shí)減小4個(gè)電機(jī)的輸出功率，飛行器則垂直下降，直至平穩(wěn)著陸，從而實(shí)現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界擾動(dòng)量是零時(shí)，在4個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力大小等于飛行器自身的重力時(shí)，此時(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1控制電路設(shè)計(jì)

　　鑒于設(shè)計(jì)要求只需要具備簡(jiǎn)單的懸停、前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)以及翻滾等飛行要求，因此對(duì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的價(jià)格過(guò)高，超出了當(dāng)初的設(shè)計(jì)初衷；如果選擇價(jià)格比較低的控制芯片，那么處理速度和容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàng)功能： (1)存儲(chǔ)容量要足夠大，能夠支持四元素融合算法的運(yùn)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(jī)STM8，基本可以滿足設(shè)計(jì)要求?；赟TM8的控制電路原理圖如圖3所示［6］。

　　2.2傳感器電路設(shè)計(jì)

　　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(jì)的四軸飛行器比較簡(jiǎn)單，因此其負(fù)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(jì)要求，結(jié)合成本選取傳感器MPU-6050，該傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以消除陀螺儀與加速度傳感器之間軸差的問(wèn)題，從而大大地簡(jiǎn)化了周圍硬件電路的設(shè)計(jì)，其中基于MPU6050的傳感器電路原理圖如圖4所示。

　　2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)于小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，場(chǎng)效應(yīng)管在功耗、成本和性能方面較其他功率開(kāi)關(guān)管更具優(yōu)勢(shì)。在選擇功率場(chǎng)效應(yīng)管的同時(shí)，本文選擇PWM調(diào)制方式，即改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓的方法就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可以方便、簡(jiǎn)單地控制飛行器的運(yùn)行，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。

　　2.4無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

　　無(wú)線通信電路是本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器的重要組成部分，在現(xiàn)實(shí)的使用中，用戶使用無(wú)線模塊對(duì)四軸飛行器進(jìn)行位置控制，其中前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)、上升以及懸停是其常用的姿態(tài)控制。由于本文所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易低成本四軸飛行器應(yīng)用距離不是很遠(yuǎn)，故選用24L01無(wú)線方案，其無(wú)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(jì)

　　3.1四元素算法介紹

　　四元素算法由一個(gè)標(biāo)量以及一個(gè)矢量?jī)刹糠纸M成，標(biāo)量和矢量構(gòu)成超復(fù)數(shù), 它具有實(shí)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(zhǔn)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(jì)算出剛體的準(zhǔn)確位姿。如果把它當(dāng)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)

　　首先把加速度傳感器所測(cè)量到的三維向量轉(zhuǎn)成單位向量，繼而把四元素?fù)Q算成方向余弦矩陣中的第三列的3個(gè)元素。根據(jù)余弦矩陣和歐拉角的定義，地理坐標(biāo)系的重力向量變換到機(jī)體坐標(biāo)系，正好是這3個(gè)元素。其中ax、ay、az是加速度傳感器實(shí)際測(cè)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(jī)體坐標(biāo)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(cè)出來(lái)的姿態(tài)之間的誤差。向量間的誤差可以用向量叉積來(lái)表示，ex、ey、ez表示為兩個(gè)重力向量的叉積。經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的向量叉積仍舊是位于機(jī)體坐標(biāo)系上的，而陀螺積分誤差也位于機(jī)體坐標(biāo)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(lái)修正陀螺。由于陀螺是對(duì)機(jī)體的直接積分，因此對(duì)陀螺的修正量會(huì)直接體現(xiàn)在對(duì)機(jī)體坐標(biāo)系的修正上。然后可以利用叉積誤差來(lái)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(gè)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(yàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)計(jì)算角度通過(guò)串口顯示在上位機(jī)上，并記錄數(shù)據(jù)。其算法測(cè)試原理如圖6所示。主控芯片在計(jì)算出3個(gè)方向的角度后，馬上通過(guò)串口以一定的格式傳遞給上位機(jī)，這樣就可以記錄數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

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

4四軸飛行器軟件程序設(shè)計(jì)

　　四軸飛行器采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由6個(gè)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(guò)程分析如下：以STM8單片機(jī)為處理核心，通過(guò)SPI接口讀取無(wú)線模塊接收機(jī)中的用戶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是從無(wú)線模塊中的發(fā)射機(jī)中發(fā)出的；處理器以一定的周期通過(guò)IIC接口讀取MPU6050的6個(gè)數(shù)據(jù)，分別是3個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)和3個(gè)方向的角速度數(shù)據(jù)，接下來(lái)要進(jìn)行姿態(tài)融合，通過(guò)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(jì)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(guò)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)角補(bǔ)償，最后準(zhǔn)確計(jì)算出四軸飛行器的姿態(tài)［910］。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　四軸飛行器在完成軟硬件設(shè)計(jì)后，制作出實(shí)物圖，如圖9所示。測(cè)試工具包括上位機(jī)軟件、串口助手、藍(lán)牙模塊和MATLAB。整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括懸停測(cè)試以及操作性測(cè)試，其中操作性測(cè)試包括前后運(yùn)動(dòng)、左右運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)飛行測(cè)試。

　　5.1懸停測(cè)試

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

　　塊把姿態(tài)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，上位機(jī)保存數(shù)據(jù)后通過(guò)MATLAB軟件顯示飛行器角度信息，其懸停狀態(tài)下角度信息測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)可以看出四軸飛行器在懸停實(shí)驗(yàn)中姿態(tài)角變動(dòng)基本保持在－4°~＋4°，完全能夠達(dá)到保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　5.2操作性測(cè)試

　　操作性測(cè)試是對(duì)四軸飛行器系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)，也就是測(cè)試飛行器對(duì)玩家所發(fā)出的操作指令要求反應(yīng)迅速和精確的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)四軸飛行器多次測(cè)試，其操作性測(cè)試表如表2所示。從表2可以看出，本文所設(shè)計(jì)的四軸飛行器對(duì)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(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜情況下四軸飛行器的動(dòng)態(tài)飛行控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程包括理論分析、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案驗(yàn)證、硬件設(shè)計(jì)、軟件模塊設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)測(cè)試等，最后經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一般的懸停、左右運(yùn)動(dòng)和上升等操作，可以滿足對(duì)價(jià)格比較敏感的廣大玩家需求。

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