張國云，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 414006）

      摘要：設(shè)計了基于單片機(jī)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(jī)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(zhǔn)確控制,。最后制作實物后經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠達(dá)到技術(shù)指標(biāo)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(jī)作為動力源泉,，通過調(diào)節(jié)4個電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制電機(jī)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(jī)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(yùn)動、左右運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī) 1和電機(jī) 3逆時針做旋轉(zhuǎn)的同時,，電機(jī) 2和電機(jī) 4順時針做旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)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(jìn)行簡單的垂直運(yùn)動,、俯仰運(yùn)動,、翻滾運(yùn)動,、偏航運(yùn)動以及前后運(yùn)動5個運(yùn)動，5個運(yùn)動的工作原理類似,，現(xiàn)以垂直運(yùn)動為例說明其工作過程,，其垂直運(yùn)動圖示如圖2所示。由于兩對電機(jī)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(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，飛行器便離地垂直上升,。反之,，如果同時減小4個電機(jī)的輸出功率，飛行器則垂直下降,，直至平穩(wěn)著陸,，從而實現(xiàn)了沿z軸的垂直運(yùn)動。當(dāng)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(yùn)動、左右運(yùn)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(dāng)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(dá)不到設(shè)計要求,。圖5電機(jī)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(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

　　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(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(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

　　對于小型電機(jī)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(jī)電壓的方法就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，從而可以方便、簡單地控制飛行器的運(yùn)行,，其電機(jī)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(jìn)行位置控制,，其中前后運(yùn)動、左右運(yùn)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(yuǎn)，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(biāo)量以及一個矢量兩部分組成，標(biāo)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(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?fù)Q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(biāo)系的重力向量變換到機(jī)體坐標(biāo)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(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(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，因此可以用來修正陀螺,。由于陀螺是對機(jī)體的直接積分,，因此對陀螺的修正量會直接體現(xiàn)在對機(jī)體坐標(biāo)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(yùn)動時計算角度通過串口顯示在上位機(jī)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(jī),，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(jī)為處理核心,，通過SPI接口讀取無線模塊接收機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行姿態(tài)角補(bǔ)償,，最后準(zhǔn)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(jī)軟件,、串口助手,、藍(lán)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(yùn)動,、左右運(yùn)動、上下運(yùn)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(lán)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(jī)上,，上位機(jī)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(dá)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(zhǔn)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(yùn)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,。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 江杰,朱君,豈偉楠.四旋翼無人飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)［J］.計算機(jī)測量與控制,2012,20(6):17031706.

　　［2］ 蘇茂,王永驥,劉磊,等.基于改進(jìn)粒子群算法的再入飛行器軌跡優(yōu)化［J］.計算技術(shù)與自動化,2011,30(4):5569.

　?。?］ 張建明,邱聯(lián)奎,劉啟亮.四旋翼飛行器姿態(tài)的自適應(yīng)反演滑?？刂蒲芯浚跩］.計算機(jī)仿真,2015,32(3):4247.

　　［4］ 王史春.四旋翼飛行器力學(xué)模型與控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.中北大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2014,35(2):218224.

　?。?］ 王偉,馬浩,孫長銀.四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(19):55135519.

　?。?］ 黃根春，周立青,，張望先. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽教程——基于TI器件設(shè)計方法［M］. 北京：電子工業(yè)出版社,，2011.

　　［7］ 謝自美.電子線路技術(shù)［M］. 武漢:華中理工出版社,2001.

　?。?］ 施聞明,徐彬,陳利敏.捷聯(lián)式航姿系統(tǒng)中四元素算法Kalman 濾波器的實現(xiàn)研究［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用,2005,24(11):68.

　?。?］ 龐慶霈, 李家文, 黃文浩.四旋翼飛行器設(shè)計與平穩(wěn)控制仿真研究［J］.電光與控制,2019,19(3):5155.

　　［10］ 江斌.小型型四旋翼低空無人飛行器綜合設(shè)計［D］.杭州: 浙江大學(xué),2013.